Brevet FR2591342A1 — publié le 19870612

La présente invention concerne d'une manière généra- le le contrôle par pénétration non destructive d'un maté- riau à l'aide de sondes ultrasoniques permettant de détecter d'éventuels défauts tels que des fissures, des trous, des cavités, etc, par détection de différences, produites par de tels défauts, par rapport à des propriétés acoustiques normales de pièces constituées par ledit matériau. Plus particulièrement l'invention concerne le contrôle du maté- riau de pièces fendues ou creuses. L'invention est utilisable en particulier en liaison avec le contrôle du matériau des broches de guidage fendues pour des tubes-guides de support pour des éléments combusti- bles d'un réacteur nucléaire, et la description qui va suivre de l'invention sera faite en référence à de tels broches de guidage. Cependant il est évident que l'invention est utile pour réaliser le contrôle d'un matériau d'autres types de pièces fendues ou creuses et qu'elle n'est pas limitée au domaine technique spécifique mentionné ci-dessus. On connaît des sondes ultrasoniques servant à réali- ser le contrôle non destructif d'un matériau et qui peuvent comporter un cristal piézoélectrique ou un élément piézo- électrique qui, lorsqu'il reçoit- une impulsion de courant, émet des ondes acoustiques d'une longueur d'onde ultra-cour- te, par exemple 2-4 MHz, qui sont à nouveau interceptées par le cristal piézoélectrique et dont l'analyse fournit une indication de l'état du matériau. Dans le cas o il existe des fissures ou des cavités,etc, dans le matériau, on observe un écho d'impulsion acoustique ou une anomalie acoustique dont l'amplitude et la position peuvent être calculées par exemple avec la connaissance, fournie par l'expérience, de l'image acoustique d'un objet de référence dont il a été prouvé qu'il est exempt de défauts. D'une manière générale le contrôle est exécuté par le fait que 2 5 9-1342 l'on analyse, à l'aide d'une sonde ultrasonique, plusieurs objets de référence, à la fois des objets sans défaut et des objets dans lesquels des défauts ont été insérés, et les images acoustiques de ces objets sont transmises à un oscilloscope à partir duquel de préférence on prend des photographies des images ou bien on enregistre les images d'une quelconque autre manière, de sorte que l'on obtient l'image restante des objets de référence exempts de défauts et de l'objet de référence dans lequel des défauts ont été insérés intentionnellement. On examine ensuite les objets à tester à l'aide de la même sonde ultrasonique, ce qui permet d'enregistrer l'image acoustique sur une bande ou de la reproduire directement sur un oscilloscope et de la comparer à des images correspondantes des objets de référence. D'é- ventuels défauts apparaissent sous la forme de différences importantes ou faibles, en général sous la forme de pics sur l'oscilloscope, dont la position définit, par comparai- son à l'image de référence, l'emplacement du défaut de l'objet. Des sondes ultrasoniques connues ont été réalisées sous la forme de sondes à contacts, qui sont appliquées directement en contact avec la surface de manière à être presque en contact avec la surface de l'objet à tester. Une sonde ultrasonique connue servant à tester par exemple des broches de guidage pour des tubes -guides de support pour des éléments combustibles d'un réacteur nucléaire comprend une tige métallique possédant une extrémité plate au voisi- nage de laquelle un ou deux cristaux ou éléments piézoélec- triques sont insérés en étant isolés électriquement. Les cristaux piézoélectriques sont raccordés par l'intermédiai- re de conducteurs à une source servant à la fois à émettre une impulsion de courant, qui à son tour amène le cristal à émettre un ultrason,et également à recevoir une variation du courant correspondant au trajet aller et retour de l'ultra- son à travers l'objet à tester. Cette sonde ultrasonique connue, qui est placée en contact direct avec l'objet à tester et qui, pendant le contrôle,est maintenue en contact intime avec ledit objet, présente un inconvénient notamment en ce que le son qui présente une légère déviation latérale, est transmis di- rectement dans l'objet à tester et qu'il peut s'avérer difficiel ou impossible de réaliser une exploration entière- ment panoramique de l'objet à tester. C'est pourquoi il est nécessaire d'exécuter un nombre important de contrôles, avec la sonde placée dans différentes positions, afin d'ob- tenir une estimation assez fiable de l'objet à tester, et en dépit de la mise en oeuvre de plusieurs contrôles, il existe le risque que la sonde ne détecte pas les défauts présents dans certaines parties des objets à tester. Quel- quefois il peut être également nécessaire d'effectuer plu- sieurs contrôles différents avec plusieurs types différents de sondes ultrasoniques appliquées en des emplacements différents. Le procédé connu et les sondes ultrassoniques connues requièrent du temps pour leur mise en oeuvre et imposent des exigences élevées à l'appareillage dé contrôle. Souvent le son doit être également transmis sur de longues distances à travers les objets à tester, ce qui peut condui- re à une atténuation du son et à l'observation d'un signal affaibli correspondant, et par conséquent on peut rencontrer des difficultés dans l'observation et la localisation de défauts. Ce problème est particulièrement notable dans des objets à tester fendus ou creux, dans Iesquels des défauts apparaissent en général au voisinage de la base des fentes ou dans la zone de jonction entre l'âme et les parties formant ailes de l'objet à tester. C'est pourquoi l'invention a pour but de résoudre le problème consistant à fournir une sonde ultrasonique à l'aide de laquelle il soit possible de réaliser en une seule opération, un contrôle complet du matériau de préfé- rence d'une pièce fendue ou creuse et à l'aide de laquelle on obtienne une image nette et cumulée de défauts présents dans l'objet à tester. Conformément à l'invention, la sonde ultrasonique comporte un support et une partie en forme de tige s'éten- dant à partir du support et dont les dimensions et la forme considérées en coupe transversale, correspondent essentiel- lement à la fente ou à la cavité de l'objet à tester et, sur ou au voisionage de l'extrémité de ladite tige ou poin- te, au moins un ou de préférence au moins deux cristaux ou éléments piézoélectriques, qui sont montés dans une position prédéterminée l'un par rapport à l'autre. Afin de réaliser un contrôle ultrasonique aussi complet que possible gace à l'utilisation d'un seul, de deux ou d'un plus grand nombre de cristaux piézoélectriques, il est nécessaire que le ou les cristaux soient montés d'une manière très spécifique. Des essais de grande ampleur ont révélé que le ou les cris- taux piézoélectriques sont montés -de préférence sous un certain angle par rapport à l'axe longitudinal de la partie en forme de tige et sont également pivotés autour de leurs propres axes longitudinaux. En disposant de cette manière les cristaux ou éléments piézoélectriques, il est possible de réaliser une transmission complète ou presque unitaire d'ondes ultrasoniques sur le pourtour de l'ensemble de la pièce à tester. En s'arrangeant de manière que le son puisse tourner autour de son propre axe, il est possible dans certains cas d'obtenir un bon résultat avec une sonde possédant un seul cristal piézoélectrique. Dans de nombreux cas, par exemple lorsque la sonde possède la forme d'un burin ou une forme semblable, il n'est pas possible de faire tourner la sonde, et dans un tel cas, la sonde doit être formée par au moins deux cristaux piézoélectriques, couvrant chacun un angle d'au moins 180 , les cristaux étant montés de ce fait d'une manière spécifique de telle sorte que ces cristaux fournis- sent ensemble une image complète de l'ensemble du pourtour de l'objet à tester. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention pour tester des pièces fendues, la sonde ultrasonique possè- de la forme d'un burin et comporte, sur ou à proximité de la pointe ou de l'extrémité de la partie constituée par une tige en forme de burin, deux cristaux piézoélectriques séparés qui sont montés sous un angle d'environ 35-70 ou de préférence 450, dans deux directions opposées, par rap- port à l'axe longitudinal de la partie en forme de tige, et en outre les cristaux sont pivotés autour de leur axe propre sur un angle d'environ 45-50 par rapport à l'axe longitudi- nal de la partie en forme de tige. Un cristal, qui s'avère. présenter une bonne distribution et un bon rapport signal/ bruit dans des objets à tester à grains relativement fins, possède une fréquence d'environ 4 MHz. Cependant, ledit cristal ne convient pas particulièrement pour des objets à gros grains et des essais ont révélé qu'en dépit du fait qu'il présente une distribution et un rapport signal/- bruit relativement moins bons que le cristal possédant une fré- quence de 4 MHz, un cristal possédant une fréquence d'envi- ron 2 MHz fournit une image ultrasonique de matériau à gros grains, qui est plus facile à interpréter. C'est pourquoi il faudrait utiliser dans toute la mesure du possible des cristaux piézoélectriques possédant une fréquence d'environ 4MHz, mais si l'image acoustique indique que l'objet à tester est du type à gros grains, il vaudrait mieux utiliser des cristaux possédant une fréquence d'environ 2 MHz. Les cristaux devraient être aussi gros que possible et de préférence les cristaux de la même sonde devraient chevaucher l'axe central de l'objet à tester, suivant sa direction longitudinale. Le cristal unique monté dans des sondes cylindriques circulaires ou les deux cristaux ou un nombre supérieur de cristaux dans d'autres types de sondes sont raccordés chacun à un dispositif d'émission et de réception de courant, par l'intermédiaire d' un conducteur, chaque cristal pouvant détecter des défauts sur la moitié du pourtour de 1' objet. Dans une autre forme de réalisation préférée de l'invention, la sonde ultrasoni- que comporte, en dehors des deux ou d'un plus grand nombre de cristaux situés au niveau de la pointe de la partie en forme de tige, également deux cristaux séparés dits de détection rectiligne, au niveau de la zone de transition entre le support et la partie en forme de tige, ces cristaux étant raccordés chacun de façon analogue aux dispositifs d'émission et ce réception de courant, par l'intermédiaire d'un conducteur pour l'observation séparée de l'image ultraso- nique fournie par chaque cristal ou élément. Lors de l'opération de contrôle, les cristaux sont raccordés successivement un par un à l'oscilloscope ou au dispositif d'enregistrement, ce qui fournit une image acous- tique séparée pour chaque cristal séparé. Le contrôle peut être réalisé en une seule phase opératoire, uniquement par modification d'une connexion dans un boîtier de connexion entre plusieurs cristaux. D'autres caractéristiques et avantages de la présen- te invention ressortiront de la description donnée ci-après prises en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente un exemple d'une sonde ultrasonique servant à tester une broche fendue de guidage de tubes-guides de support pour des barres de combustible d'un réacteur nucléaire; la figure 2 représente schématiquement le trajet acoustique général pour les éléments piézoélectriques placés sur la pointe de la sonde ultrasonique de la figure 1; la figure 3 est une vue de détail à plus grande échelle de la sonde ultrasonique conforme à la figure 1, telle qu'elle est vue à partir d'un côté; les figures 4 et 5 représentent le même détail vu respectivement à partir de l'autre coté, et selon une vue en plan; la figure 6 représente une forme de réalisation mo- difiée d'une sonde ultrasonique du type représenté sur la figure 1; et la figure 7 représente une sonde ultrasonique con- forme à l'invention, destinée à contrôler le matériau de pièces à tester comportant des trous cylindriques. La figure 1 représente une sonde ultrasonique 1 en forme de burin, servant à tester une broche fendue, par exemple une broche de guidage. La sonde comporte un support 3 et une partie en forme de burin 4, au voisinage de la pointe de laquelle se trouvent montés deux cristaux piézo- électriques 5 "d'exploration circulaire". La sonde peut également comporter deux cristaux 6 "d'exploration rectili- gne" au niveau de l'extrémité du support 3. La broche fendue 2 comporte un filetage 7, une partie formant âme 8, une bride 9 et l'organe de guidage fendu proprement-dit muni de la fente 11. Dans ce type de broche, on peut s'attendre à ce que des défauts tels que des fissures ou des fendillements apparaissent à la fois dans la zone de jonction entre l'ame 8 et la bride 9 et également à la base de la fente 11. Naturellement certains défauts peuvent être présents à l'intérieur du matériau. Afin d'observer tout d'abord les défauts mentionnés en premier lieu, on utilise deux cristaux piézoélectriques situés au voisinage des extrémités de la partie 4 en forme de burin et qui sont montés de manière à permettre une exploration circulaire ou une exploration angulaire essen- tiellement comme représenté par les flèches 12 sur la figure 2. Chaque cristal explore au moins la moitié du pourtour de la broche 2. La tige de la sonde munie des cristaux piézoélectri- ques doit posséder des dimensions lui permettant d'être insérée dans la fente ou le perçage, dans lequel la sonde doit être introduite pour réaliser le contrôle du matériau avec un jeu de seulement quelques dixièmes de millimètres. La sonde peut également comporter, en tant qu'élé- ment supplémentaire pour les cristaux d'exploration circu- laire 5, un couple de cristaux d'exploration rectiligne 6, qui explore la broche suivant la direction axiale, comme cela est représenté essentiellement par les flèches 13 sur la figure 2. L'emplacement et le positionnement des cristaux piézoélectriques d'exploration circulaire 5 sont critiques et sont illustrés de façon schématique sur la représentation à plus grande échelle des figures 3 et 4. Les cristaux sont montés en étant isolés dans un bloc amortisseur et sont disposés sousunanglea compris entre environ 40 et 700 ou de préférence entre 40 gt 50 par rapport à l'axe longitudi- nal 14 de la partie en forme de burin 4, et sont également pivotés selon un angle b compris entre 45 et 500 autour de leurs propres axes. Des essais pratiques ont révélé que les angles optimum varient pour des cristaux différents. Par exemple un cristal possédant une fréquence de 4 MHz fournit les meilleurs valeurs pour un angle a d'environ 500 et pour un angle b d'environ 46 , tandis qu'un cristal possédant une fréquence de 2 MHz fournit le meilleur résultat pour un angle a de 460 et un angle b d'environ 46,50. Les deux cristaux 5a et 5b sont isolés l'un par rapport à l'autre et chacun d'eux est raccorde à un boîtier multiplexeur 15 par l'intermédiaire d'un conducteur (non représenté), et le boi- tier multiplexeur 15 est à son tour raccordé à un appareil ultrasonique 16 comportant un instrument de lecture 17 du type oscilloscope. Un ordinateur ou une unité d'enregistre- ment sur bande 18 peut être également raccordé à l'appareil ultrasonique 16. Grâce à la présence duboîtiermultiplexeur 15, les différents cristaux piézoélectriques peuvent être tour-à-tour raccordés et lus, ce qui permet d'obtenir une image acoustique globale cumulée des quatre unités représen- tées, laquelle image est.comparée à des images de référence correspondantes reproduisant des objets de référence exempts de défauts ou des objets de référence possédant des défauts connus, ce qui fournit un aspect net de l'état de l'objet à tester. Toutes les fissures, cavités ou défauts semblables produisent un écho qui est observé sous la forme d'une pointe sur l'oscilloscope 13. Comme cela a été mentionné précédemment, la sonde ultrasonique peut être constituée par une partie cylindrique circulaire formant capteur 19 comme représenté sur la figure 7 et comporte, sur la pointe de ladite partie cylindrique 19, un ou plusieurs cristaux piézoélectriques. Indépendam- ment du nombre de cristaux que l'on utilise, il faudrait placer ces cristaux de la manière mentionnée ci-dessus de manière qu'ils fassent un angle a de 40-70 ou de préférence de 45-50 par rapport à l'axe longitudinclet soient pivotés d'un angle b d'environ 45 autour de leuzs propresaxeslongi- tudinaux.Dans le cas o la sonde possède un seul cristal, il est prévu en position centrale dans la partie cylindrique et à proximité de la pointe de cette dernière, et lors de l'exécution de contrôles avec une telle sonde, on la fait tourner lors de plusieurs étapes de contrôle, par exemple sur un angle de 180 , 90 ou n'importe quel autre angle, ce qui permet d'effectuer un contrôle dans une telle position angulaire. Dans le cas o la sonde comporte deux ou un plus grand nombre de cristaux, ces derniers sont montés symétri- quement conformément aux directives mentionnées précédem- ment. REVENDICATIONS 1. Sonde ultrasonique servant à tester complètement par ultrasons un objet à tester creux comportant un corps fendu, en une seule opération de détection, caractérisé en ce que la sonde ultrasonique est constituée par un support (3) et une partie formant capteur (4;19) en forme de tige ou de burin, qui est raccordée au support et qui est adaptée à la fente (11) ou à la cavité à partir de laquelle le contrôle doit être effectué et comporte, sur ou à proximité de sa pointe, un ou plusieurs cristaux piézoélectriques (5) électriquement isolés, qui sont montés sous un angle compris entre 40 et 70 par rapport à l'axe longitudinal de la partie formant- capteur (4;19) de manière à permettre un contrôle circulaire sur un angle spécifique, par exemple 180 pour chaque cristal. 2. Sonde ultrasonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ou les cristaux piézoélectriques (5) sont montés de préférence sous un angle compris entre environ 45 et 50 par rapport à l'axe longitudinal de la partie formant capteur (4;19). 3. Sonde ultrasonique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la sonde comporte, en plus des cristaux de contrôle circulaire (5) situé sur ou au voisinage de la pointe de la partie formant capteur (4;19), un ou plusieurs cristaux d'exploration rectiligne (6) prévus sur ou au voisinage du support (3) de la partie formant capteur (4;19), ce ou ces cristaux permettant de réaliser un contrôle ultrasonique dans une direction correspondant essentiellement à la direction axiale de la partie formant capteur (4;19) et/ou de l'objet à tester. 4. Sonde ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la sonde comporte deux cristaux piézoélectriques séparés (5a,5b) qui sont disposés symétriquement 1' un par rapport à l'autre et se recouvrent de préférence légèrement au niveau de l'axe central de la partie formant capteur (4) et dont chacun est raccordé à un appareil d'observation (15-19). 5. Sonde ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'elle comporte trois ou un plus grand nombre de cristaux piézoélectriques montés de façon symétrique sur ou au voisinage de la pointe de la partie formant capteur, chaque cristal étant raccordé à un appareil d'observation. 6. Sonde ultrasonique selon l'une quelconque des revendications précédentes, consistant en. ce que, pour un type de cristal possédant une fréquence d'environ 4 MHz, un ou plusieurs cristaux piézoélectriques sont montés sous un angle (a) d'environ 50 par rapport à l'axe longitudinal de la partie formant sonde (4) et sont pivotés d'un angle (b) d'environ 45 autour de leurs propres axes. 7. Sonde ultrasonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, pour un type de cristal possédant une fréquence d'environ 2 MHz, le ou les cristaux piézoélectriques sont montés sous un angle (a) d'environ 46 par rapport à l'axe longitudinal de la partie formant capteur (4) et sont pivotés d'un angle (b) d'environ 46,5 autour de leurs propres axes. 8. Sonde ultrasonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sonde est réalisée sous la forme d'un cylindre circulaire et comporte, sur ou au voisinage de sa pointe, un seul cristal piézoélectrique et est apte a réaliser, après qu'on l'ait fait pivoter une ou plusieurs fois sur un angle prédéterminé, plusieurs contrôles avec un même cristal dans différentes positions, ce qui fournit une image ultrasonique cumulée du pourtour de l'ensemble de l'objet à tester. 9. Sonde ultrasonique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la sonde est en forme de burin ou possède la forme d'un cylindre circulaire et comporte, sur il ou au voisinage de sa pointe, deux cristaux piézoélectri- ques (5a,5b) disposés de façon symétrique et servant à fournir une image ultrasonique cumulée du pourtour de l'en- semble de l'objet à tester, sans modification de la position de la sonde par rapport à l'objet testé, mais grâce à un raccordement successif des cristaux (5a,5b).