Brevet FR2483073A1 — publié le 19811127

La présente invention concerne un procédé de mesure pré- cise et positive des épaisseurs séparées d'un métal de base et d'une couche métallique de placage, de leur épaisseur totale, au moyen d'un détecteur électromagnétique de fissu- re; l'invention concerne aussi un appareil destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. L'acier plaqué est largement utilisé dans différents domaines de l'industrie, car il est très économique et aussi d'une grande longévité. L'acier plaqué est réalisé avec une matière telle que de l'acier inoxydable., du titane, de l'aluminium, du cuivre ou l'un de leurs alliages, diffé- rent du métal de base, plaqué par liaison métallurgique sur une face ou deux faces du métal de base, par exemple de l'acier au carbone ou de l'acier faiblement allié, par laminage à chaud, soudage par explosion ou autre. L'acier plaqué convient particulièrement pour être uti- lisé dans un environnement corrosif. Mais, dans les appli- cations de ce genre, il importe particulièrement de main- tenir l'épaisseur voulue de la matière de placage formant la couche qui résiste à la corrosion. Différents procédés de mesure de l'épaisseur de la ma- tière ou de la couche de placage ont déjà été proposés. Dans un premier de ces procédés, l'épaisseur de la couche est mesurée mécaniquement avec un outil de mesure, après élimi- nation d'une partie périphérique. Selon un second procédé antérieur, l'épaisseur totale comprenant celle du métal de base est mesurée en utilisant une jauge d'épaisseur aux ultrasons, et l'épaisseur de la couche de placage est cal- culée. Selon un troisième procédé, l'épaisseur de la couche 3Ode placage est mesurée en utilisant un détecteur électro- magnétique de petites épaisseurs qui mesure les variations de la perméabilité magnétique résultant de la couche de placage. Les procédés courants décrits ci-dessus présentent les inconvénients suivants. Le premier procédé mécanique ne peut s'appliquer qu'à la mesure d'une partie marginale de l'acier plaqué. Avec ce procédé, il est impossible de mesu- rer l'épaisseur sur toute la surface d'acier plaqué, parti- culièrement dans des parties modifiées localement pouvant résulter de la compression au formage. Le second procédé, selon lequel une jauge d'épaisseur aux ultrasons est uti- lisée, permet de mesurer l'épaisseur sur toute la surface de l'acier plaqué, mais il est impossible de l'utiliser pour mesurer des variations d'épaisseur résultant de varia- tions de vitesse de formage de la couche de placage et du métal de base. Le troisième procédé selon lequel un détecteur électromagnétique de petites épaisseurs est uti- lisé ne peut s'appliquer qu'à la mesure de la couche de placage, et sa précision est très faible. En outre, ce procédé ne peut s'appliquer à la mesure d'une couche de placage possédant des propriétés magnétiques. L'invention a donc pour objet essentiel de proposer une technique de mesure permettant d'éliminer pratiquement tous les inconvénients précités. Le procédé selon l'invention tient compte des différen- ces d'impédances acoustiques entre la matière de base et la matière de placage. Un composé métallique à la surface de séparation entre la matière de placage et la matière de base est formé, avec des cristaux de grains différents. En raison de la différence de la disposition des grains de cristaux à cette surface, lorsque des ondes ultrasonores sont appliquées, un écho est produit à la surface de sépa- ration en raison de la différence de structure des deux composés chimiques. Le signal d'écho est amplifié et re- dressé et le signal résultant permet de mesurer de façon précise et positive l'épnisseur de la matière de placage sur toute la surface de la matière de base. Jusqu'à présent, cette mesure était considérée comme impossible. L'invention permet de mesurer lièpaisseur d'un acier plaqué qui peut varier pendant sa fabrication ou qui peut varier avec son vieillissement, de sorte que cette matière ayant franchi cette inspection peut être utilisséXe en toute confiance et sécurité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se réfé- rant aux dessins annexés sur lesquels les figures lA et 1Th sont des diagrammes illustrant le principe de la mesure utilisant des ondes ultrasonores selon l'invention, les figures 2A à 2D montrent les phases successives de la mesure d'un acier plaqué selon l'invention9 les figures 3A et 3B illustrent un autre procédé selon 1 'invention, la figure 2 est un schéma d'un circuit d'entrée utilisé avec l'appareil selon l'invention, et la figure 5 est un schéma d'un circuit de sortie utilisé avec l'appareil selon l'invention. Les figures 1A et lB illustrent donc le principe de la mesure de l'épaisseur d'une pièce en essai en utilisant des ondes ultrasonores selon l'invention. Si l'on suppose que la vitesse du son est constante dans une matière unifor- me, une onde ultrasonore 2 est émise par un transducteur 1 à détection de contact, se propage dans la matière et elle est réfléchie vers le transducteur 1 par la surface infé- rieure de cette matière. La figure lB montre une image sur un oscilloscope à tube à rayons cathodiques, correspondant à la figure 1A. La position d'un écho B provenant de la sur- face inférieure est indiquée sur l'oscilloscope, l'épaisseur totale t de la matière étant proportionnelle à làa distance t'. La relation entre liéchelle de l'axe des temps et lt- paisseur réelle mesurée peut être étalonnée en utilisant une pièce d'essai d'épaisseur connue, dans laquelle la vitesse du son est constante et à partir de laquelle l'épaisseur t est mesurée en lisant sur l'axe des temps la position de l'écho B de la surface inférieure de la matière en essai mesurée. Une propriété des ondes ultrasonores est que, lorsqu'el- les traversent des matières d'impédances acoustiques diffé- rentes, une partie ou la totalité de ces ondes est réfléchie à la surface de séparation. La réflexion est d'autant plus importante que la différence entre les impédances acousti- ques est plus grande. Les réflexions résultent souvent de différences entre les dimensions des grains cristallins ou de leur disposi- tion, ou elles peuvent résulter de différences de composi- tion chimique. En tirant profit de cette propriété des on- des ultrasonores, l'invention concerne donc un procédé et un appareil utilisant cette propriété pour mesurer l'épais- seur de la couche de placage et du métal de base d'acier plaqué. Une forme de mesure des épaisseurs respectives de la couche de placage et du métal de base sera maintenant décri- te, dans laquelle le métal de base est de l'acier au car- bone dont l'impédance acoustique diffère peu de celle de la couche de placage, faite d'acier inoxydable, avec par conséquent un très faible écho produit à la surfPce de séparation. Il faut noter que dans le cas d'autres matiè- res de placage telles que l'aluminium, le cuivre et leurs alliages, les différences d'impédancesacoustiques avec le métal de base sont beaucoup plus importantes que dans l'exem- ple présent. Cela veut dire qu'il est alors plus facile de mesurer les épaisseurs. Le procédé selon l'invention diffère considérablement de ceux mentionnés ci-dessus. Selon l'invention, un fai- ble écho à la surface de séparation est nettement séparé juste devant l'écho de la surface inférieure-, avec une précision d'au moins dix fois celle qui pouvait être pré- cédemment obtenue en augmentant le gain, en améliorant l'impulsion de sortie et en visualisant la forme du signal d'écho sur un oscilloscope. Il est alors possible de lire avec précision les épaisseurs de la matière de base et de la matière de placage. Selon l'invention, un transducteur de détection à contact, de fort amortissement et à large bande, possédant un large spectre de fréquence et une forte constante d'amortissement de manière à produire des signaux hautement séparables, et un détecteur ultrasonore de fissure sont utilisés. Le détecteur ultrasonore de fissure possède des propriétés suivantes. (1) un écho de courte durée est amplifié fidèlement au moyen d'un amplificateur à large bande dont la bande passante est supérieure à 0,5 MHz et dont le gain est constant dans une large nlage de fréquence. (2) en ce qui concerne l'oscilloscope utilisé, le gain des signaux d'entrée est variable de façon continue. (3) de plus, la position sur l'axe des temps sur ltoscillos- cope doit permettre de déplacer un point d'image au-delà d'une échelle correspondant à l'épaisseur de la matière mer surée. Par exemple, avec un oscilloscope dans lequel la plage mesurable est limitée à 10 millimètres, les unités minimales d'échelle sur l'axe des temps doivent correspon- dre à au moins 0,2mm. (4) l'amplification de propagation rectiligne n'est pas affectée ppr la réjection en ce qui concerne un écho pro- duisant un signal dont l'amplitude est supérieure à l'échel- le maximale de l'oscilloscope. Le réglage de la réjection est variable continuellement. (5) l'échelle de l'axe des temps sur l'oscilloscope est divisée en au moins 50 unités équidistantes. (6) une plage de mesure de lOmm ou moins peut 9tre suffi- samment agrandie. Les figures 2A à 2D montrent les visualisations sur oscilloscope d'un mode de réalisation ainsi réalisé avec un transducteur de détection à contact et un détecteur de fissure à ultrasons, la plaque d'acier plaqué étant mesurée à partir de la surface de la matière de base. La matière de base et la matière de placage dans cet exemple sont res- pectivement des aciers AST 7A 440 et AISI 304, avec des épaisseurs respectives de 7,8nmm et 2mm. L'épaisseur totale est donc 9,8mm. La figure 2A montre l'état dans lequel la durée d'im- pulsions de l'écho à la surface de contact et la réjection du détecteur des fissures sont maintenues au niveau zéro avec le gain réglé A B1 = 100 % + 26 dB,'de sorte qu'un écho initial 4 peut juste être vu. Sur la figure 2A, T désigne l'impulsion émise et B un écho provenant de la face extérieure de l'échantillon. Quand l'écho à la surface de contact apparaît, sa durée d'impulsions est augmentée en changeant l'échelle d'axe des temps pendant que le re- tard de l'oscilloscope est réglé pour maintenir la position de l'impulsion constante sur l'écrans Ainsi, tandis que l'état représenté sur la Figure 2B est maintenu, seule la réjection est augmentée pour éliminer l'écho parasite. L'écho 4 résultant à la surface de séparation est clairement vi- sible sous la forme d'une ligne sur la figure 2C. Comme cela a été expliqué ci-dessus, par l'adaptation du gain de la durée d'impulsions et de la réjection, un écho à la surface de séparation à temps de montée brusque, peut être visualisé sur l'écran de 1'oscilloscope. L'axe des temps est déterminé à l'avance par un éta- lonnage précis en utilisant une pièce d'essai connue. La plage mesurable est établie de manière à inclure l'épais- seur totale de la matière à mesurer. Etant donné qu'une sur- face 5 de la matière en contact avec le transducteur de détection coincide avec le point zéro, la distance entre cette surface et la position 6 d'apparition de l'écho 4 représente l'épaisseur de la matière de base et la distance entre la position 6 de l'écho 4 et la position d'appari- tion 7 de l'écho B de la surface inférieure représente l'épaisseur de la couche de placage 10. La distance entre la surface 5 et la position 7 de l'écho B représente l'é- paisseur totale. Pour obtenir ces mesures d'épaisseur, la distance entre ces positions est déterminée en fonction de la vitesse du son dans les différentes matières. Les figures 3A, 3B illustrent le cas ou une épaisseur de 10 à 20mm est mesurée de la même manière que dans l'exem- ple précédent. Dans ce cas, si la position précitée de l'écho B' de la surface inférieure, qui a déjà été étalonnée est déplacée jusqu'au point zéro 5 en utilisant le réglage d'axe des temps de l'oscilloscope, la plage réelle mesura- ble est de 10 à 20mm. L'épaisseur peut être obtenue en ad- ditionnant 10mm à la lecture directe, à la position 6 ou 7 correspondant à l'écho de la surface intermédiaire ou à l'écho de la surface inférieure. De la même manière, une épaisseur ou une profondeur beaucoup plus grande peut être mesurée en maintenant toujours la plage de mesure à nmoins de 10mm. Une mesure hautement précise peut donc.tre obtenue de façon uniforme. Comme cela a été expliqué ci-dessus, et selon l'inven- tion, il est possible de mesurer l'épaisseur de la couche de matière de placage de 1 'acier plaqué, qui était consi- dérée jusqu'à présent comme impossible. Selon l'invention, il est possible de mesurer très précisément l'épaisseur en toute position de l'acier plaqué à mieux que + lmm9 avec facilité, et également de mesurer l'épaisseur à partir d'une surface ou de la surface inférieure Si l'tépaisseur totale de l'acier plaqué dépasse 2,5mm et que l'épaisseur de la matière de placage dépasse 0,4mm, il est très facile de mesurer les deux épaisseurs. I1 est également possible de mesurer l'épaisseur d'une matière dont la courbure dépasse 1,5 fois le diamètre du transdue- teur de détection à contact qui a une forme cylindrique ou en arc de cercle. L'invention permet donc de connaitre avec précision l'épaisseur de la couche de placage pendant sa formation. Cela est économique car l'utilisation d'une matière cod- teuse peut être réduite au minimum. La figure 4 est un schéma du transducteur de détection à contact et des circuits associés, utiliséspour produire des impulsions ultrasonores. Une résistance 20 est connectée entre une source de tension continue, par exemple de 500 volts, et une borne d'un commutateur 22 dont l'autre borne est connectée à la masse. Le commutateur 22 consiste de préférence en un redresseur commandé au silicium ou autre commutateur à semi-conducteur. Le commutateur 22 est com- mandé périodiquement à une fréquence qui convient pour l'oscilloscope. Une armature d'un condensateur 21 est con-= nectée au point commun entre la résistance 20 et le commu- tateur 22 tandis que son autre armature est connectée à la mresse par un circuit en série comprenant une résistance variable 23 et une résistance fixe 24. Le réglage de la résistance variable 23 détermine la durée ou l'énergie des impulsions passant par le condensateur 21. Le point commun entre le condensateur 21 et la résistance variable 23 est connecté à une bobine 25 dont l'autre borne est à la masse. Le point commun entre le condensateur 21, la résistance variable 23 et la bobine 25 est connecté à l'entrée d'un transducteur 28 à large bande faisant partie du transduc- teur de détection à contact 27. Ce dernier comporte une pièce de matière d'amort;ssement 26 à l'arrière du trans- ducteur 28 pour éviter son oscillation. Le transducteur de détection 27 peut 8tre par exemple un modèle CLF-5 fabri- qué par Krautkraemer Company, République Fédérale Allemander. De préférence, le transducteur 28 est couplé en ultrasons avec la pièce en essai 30 en utilisant un agent de contact 29, par exemple un gel ou similaire, dont de nombreux ty- pes sont disponibles dans le commerce. - La figure 5 est un schéma du détecteur de fissures à ultrasons et des circuits associés utilisés selon l'inven- tion. Le transducteur 31 du détecteur 40 est couplé en ultrasons avec la pièce en essai 30, avec l'interposition d'un agent de contact 2 . De préférence, le transducteur 31 du détecteur 40 et le transducteur 28 du transducteur de détection 27 sont disposés physiquement l'un contre l'autre dans une sonde. Comme dans-le cas du transducteur de détec- tion 27, une pièce de matière d'amortissement 39 est dis- posée à l'arrière du transducteur 31 du détecteur 40. Le signal de sortie du transducteur 31 est appliqué à l'entrée du détecteur 35 par l'intermédiaire d'un amplificateur à haute fréquence 32, d'un atténuateur 33 et d'un second am- plificateur à haute fréquence 34. Les signaux aux différents points de ce circuit sont indiqués sur le diagramme de la figure 5. La lettre T désigne l'impulsion émise, la lettre I l'écho à la surface de séparation et la lettre B l'écho par la surface opposée. Le détecteur 35 peut consister à volonté en un redresseur à une alternance ou en redresseur à deux alternances. Les signaux de sortie du détecteur 35 sont indiqués respectivement en 35a et 35b pour des deux types de redresseur. Des filtres 356 et 38 sont connectés à la sortie du détecteur 35. De préférence, le filtre de réjection 38 est réglable pour que l'opérateur puisse ob- tenir un signal de sortie visualisé le plus clairement possi- ble. La sortie du filtre de réjection 38 est connectée par un amplificateur d'image 37 à large bande à l'entrée de balayage vertical de l'oscilloscope à rayons cathodiques avec lequel le circuit est utilisé. Le détecteur de fissures peut 4tre par exemple un modèle USL-32 fabriqué par Krautkraemer Company, Rérublique Fédérale Allemande. Bien entendu, diverses modifications peuvent être ap- portées par l'homme de l'art au mode de réalisation décrit et illustré à titre d'exemple nullement limitatif sans sor- tir du cadre de 1'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure de l'épaisseur de différentes cou- ches d'une pièce métallique à couches multiples, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à disposer une source d'ondes ultrasonores pulsées dans une position adjacente à une première surface de ladite pièce métallique, à produire des signaux électriques en réponse à des ondes ultrasonores réfléchies par une seconde surface de ladite pièce métallique, à visualiser sur un oscilloscope une représentation graphique desdits signaux électriques, et à mesurer ladite représentation graphique pour déterminer la position d'une surface intermédiaire entre la couche de placage et la couche de métal de base, par rapport à l'une au moins desdites surfaces. 2 - Procédé de mesure de l'épaisseur de différentes couches d'une pièce métallique à couches multiples, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à dispo- ser un transducteur de détection à contact à 1 rge bande et fort amortissement et un détecteur de fissures à ondes ultrasonores avec un amplificateur à large bande, dans une position adjacente à une surface de ladite pièce métallique, à coupler ledit détecteur de fissures avec un oscilloscope dont l'échelle des temps est réglable de façon continue, à maintenir une durée d'impulsions visualisées et une réjec- tion des signaux produits par ledit détecteur de fissures au niveau zéro et à augmenter son gain de manière qu'un écho de surface intermédiaire entre les première et seconde cou-. ches de ladite pièce métallique puisse. être vu sur ledit oscilloscope, à augmenter ladite durée d'impulsions de 3o manière que ledit écho de surface intermédiaire augmente en amplitude avec un écho parasite et à augmenter ladite ré- jection pour éliminer ledit écho parasite dudit écho de surface intermédiaire de manière que ce dernier soit visul- lisé avec une forme d'onde nette. 3 - Appareil de mesure de l'épaisseur de différentes couches d'une pièce métallique à couches multiples, carac- térisé en ce qu'il comporte un transducteur (27) de détec- tion à contact, à large bande et fort amortissement, possé- 1l1 dant une l'rge bande et un fort effet d'amortissement, un détecteur (40) de fissures a ultrasons, un amplificateur à large bande (32) qui amplifie les signaux produits par ledit détecteur de fissures (40) et un filtre de réfection (38) connecté audit amplîficateur (32), et un oscilloscope à tube à rayons cathodiques dont ltentrée est connectée au- dit détecteur de fissures (40). 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un générateur deimpulsions con- necté audit transducteur de détection (27), ledit générateur d'impulsions comportant une première résistance (20) et un commutateur électronique (22) commandé périodiquement connectés entre les bornes d'une source de tension conti- nue, un condensateur (21) dont une première armature est connectée au point commun entre ladite première résistance (20) et ledit commutateur (22), une résistance variable (23) et une seconde résistance (24) connectées en série en- tre une seconde armature dudit condensateur (21) et la borne de masse de ladite source de tension continue, et une bobine d'inductance (25) dont une première borne est connectée à ladite seconde armature dudit condensateur (21) et dont une seconde borne est connectée à la masse, ladite première borne de ladite bobine d'inductance étant connec- tée à une borne d'entrée dudit transducteur de détection à contact (27). - Appareil selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur (35) connecté à une sor- tie dudit amplificateur à large bande, ledit filtre de réfjection (28) étant connecté à une sortie dudit détecteur (35).