Brevet FR2703465A1 — publié le 19941007

" Procédé et sonde de contrôle pour des contrôles non des- tructeurs de la surface de matériaux électriquement conduc- teurs " Etat de la technique. La présente invention concerne un procédé de contrôle non destructeur de la surface de matériaux conduc- teurs électriques à l'aide d'une bobine de contrôle créant un champ magnétique alternatif auquel on expose le matériau contrôlé. L'invention concerne également une sonde de contrôle pour le contrôle non destructeur de la surface de matériaux conducteurs électriques avec un support de bobine ainsi qu'une bobine de capteur à la pointe du support. Dans plusieurs publications, on a déjà proposé d'effectuer des contrôles non destructeurs de matériaux en utilisant le procédé des courants de Foucault Une intro- duction à ce procédé et diverses réalisations possibles de bobines de contrôle se trouvent par exemple décrites dans le livre de Heptner et Stroppe, " Werkstoffpr fung ", pages20 129 à 141 Selon ce document, le procédé des courants de Foucault convient en particulier pour contrôler ou faire des essais de la dureté mécanique d'un matériau ainsi que de l'épaisseur, en particulier de celle des couches métal- liques minces Des constructions appropriées de bobines en- globent par exemple une bobine de détection que l'on place à la surface de la pièce ou une bobine intérieure qui sert j par exemple à contrôler des tubes ou des perçages à parois très épaisses. Selon le péricaq-e H que l'on en déduit est une indication de la profondeur de la couche influencée par la chaleur Le dispositif de me- sure se compose essentiellement d'une bobine ainsi que d'un10 récepteur séparé de la bobine Bien que ce dispositif de mesure donne déjà une série de bonnes informations de con- trôles ou d'essais, concernant notamment la dureté et l'épaisseur de la couche de surface, cette structure de me- sure et la mise en oeuvre du procédé sont relativement com-15 pliqués. On connaît une autre application du procédé de mesure par courants de Foucault pour la mesure non destruc- trice de l'épaisseur de couches de liaison d'échantillons traités dans des bains de sel de nitruration, selon la pu-20 blication " Zeitschrift fur wirtschaftliche Fertigung ", 1978, cahier N 02, pages 89 à 94 Dans ce cas, on détermine l'épaisseur de la couche pour une fréquence fixe de la ten- sion alternative dans la bobine de contrôle en utilisant l'impédance mesurée du matériau contrôlé La sonde de me- sure est une bobine Ce procédé ne donne aucune indication sur la dureté de la couche contrôlée De même, pour les fréquences, il faut rester impérativement en dessous de 3 Mhz car au-delà, l'influence des variations de perméabilité du matériau de base devient plus importante. La présente invention a pour but de créer un procédé fournissant, à l'aide d'un capteur de construction simple, des indications rapides et suffisamment fiables sur la dureté et l'épaisseur de la surface d'un matériau con- ducteur d'électricité. A cet effet, l'invention concerne un procédé correspondant au type défini ci-dessus, caractérisé en ce que on règle une première fréquence de courant alternatif dans la bobine, fréquence pour laquelle la profondeur de pénétration du champ magnétique alternatif dans le maté- riau contrôlé est faible par rapport à l'épaisseur deman- dée pour la couche de surface traitée, on mesure la variation d'inductance que provoque dans la bobine le champ magnétique alternatif réglé, on répète ces étapes avec une seconde fréquence de cou- rant alternatif dans la bobine, fréquence pour laquelle la profondeur de pénétration du champ magnétique alterna- tif dans le matériau ( 15) à contrôler correspond sensi- blement à l'épaisseur demandée de la couche de surface traitée, à partir des résultats des mesures on en déduit une in- formation pour savoir si la surface contrôlée ( 16, 17) présente les caractéristiques de matière demandées. L'invention concerne également une sonde de contrôle caractérisée en ce quela pointe de la sonde avec la bobine de capteur corresond de par sa forme, à la sur- face à contrôler. Le procédé selon l'invention fournit de manière simple, par mesure de l'inductance de la bobine, des infor- mations concernant la dureté et/ou l'épaisseur d'une couche de surface contrôlée Les relations connues en soi entre la profondeur de pénétration du champ magnétique alternatif créé par la bobine, l'inductance de la bobine et la dureté30 ou l'épaisseur du matériau contrôlé, sont des relations utilisées dans ce contexte. Pour la mise en oeuvre du procédé, on effectue des mesures de contrôle avec deux fréquences différentes du courant alternatif dans la bobine On choisit le niveau de la première fréquence par exemple autour de 3 M Hz pour que la profondeur de pénétration qu'elle entraîne pour le champ magnétique alternatif créé par la bobine dans le matériau contrôlé soit faible par rapport à éaisseur totale de- mandée pour la couche de surface, contrôlée A partir de l'inductance de la bobine qui s'établit suivant le pré- traitement du matériau contrôlé, on peut conclure quant à la dureté, à la structure du réseau ou à la rugosité de la surface du matériau contrôlé On peut alors notamment cons- tater si la surface contrôlée présente une épaisseur mini- male demandée, s'il y a une couche durcie et, le cas échéant, si celle-ci présente des cavités, des fissures, des barbes ou des défauts de forme. La seconde fréquence du courant alternatif dans la bobine est choisie à un niveau suffisamment bas, par exemple de l'ordre de 10 K Hz, pour que la profondeur de pé- nétration du champ magnétique alternatif dans le matériau contrôlé corresponde sensiblement à l'épaisseur souhaitée pour la couche de surface à contrôler L'inductance de la bobine qui s'établit alors permet de déduire une indication20 concernant la qualité d'ensemble de la surface de la zone d'épaisseur contrôlée. Un tel procédé à deux niveaux fournit, grâce à la mesure à une fréquence plus élevée, une indication con- cernant la dureté d'une couche mince constituant la surface effective, et la mesure faite à une fréquence plus basse donne une indication concernant la qualité de la couche en dessous de la surface On évite ainsi la difficulté que, d'une part, une mesure avec une seule haute fréquence peut aboutir à une évaluation fausse, en particulier de l'épaisseur d'une couche de surface, et, d'autre part, une mesure avec seulement une fréquence faible ne fournit au- cune indication concernant les conditions au niveau de la surface proprement dite. Le procédé convient notamment pour contrôler la qualité de surface de matières métalliques nitrurées. Un complément avantageux du procédé de l'invention est caractérisé en ce que: on règle une fréquence de courant alternatif dans la bo- bine, fréquence pour laquelle la variation d'inductance provoquée par un matériau parfait dans la bobine corres- pond exactement à la variation d'inductance de la bobine dans l'air, on mesure la variation d'inductance provoquée par le champ magnétique alternatif qui s'établit dans la bobine, on en déduit une information sur les caractéristiques de matière de la surface du matériau contrôlé en partant des résultats de mesures, on règle une troisième fréquence de courant alternatif dans la bobine, fréquence pour laquelle la variation d'inductance dans la bobine engendrée par un matériau parfait correspond exactement à la variation d'inductance de la bobine dans l'air, on mesure la variation d'inductance provoquée dans la bo- bine par le champ magnétique alternatif, on déduit une information relative à la caractéristique de la matière de la surface du matériau contrôlé à partir du résultat de la mesure obtenue avec la troisième fré- quence alternative dans la bobine Une mesure supplémentaire avec une troisième fréquence, convenant tout particulièrement ici, permet de rechercher les défauts de la matière contrôlée On choisit la fréquence de mesure pour ne créer un signal de mesure que s'il y a un défaut dans la matière Un tel contrôle de la matière peut être exécuté facilement même par des per- sonnes non qualifiées. Pour réduire au minimum les influences provo- quées par des variations des éléments d'alliages ou des composants d'alliages dans la surface contrôlée, il est avantageux de prévoir une mesure de référence avec une bo- bine de référence Comme signal de mesure on utilise par exemple le signal de différence de la bobine de contrôle et de la bobine de référence; la bobine de référence détecte 1 'inductance d'un matériau de base n'avant pas subi de traitement thermique. Dans le cas de matériaux dont la surface a été traitée pour obtenir des caractéristiques particulières, par exemple pour des métaux nitrurés, il peut être avanta- geux d'améliorer encore plus la précision pour une mesure de référence avec un matériau de référence, et chaque fois, avant et après le traitement du matériau à contrôler, on effectue une mesure sur le matériau de contrôle et sur le matériau de référence. La sonde de contrôle utilisée pour la mise en oeuvre du procédé est prévue avantageusement à la pointe d'une bobine montée sur le support de bobine L'enroulement récepteur est adapté à la forme de l'objet mesuré ou aux problèmes posés De façon intéressante, on choisit l'importance de la bobine orientée suivant qu'une informa- tion concernant la dureté moyenne d'une surface importante de l'objet contrôlé suffit, ou qu'il faut un tramage dé- taillé de la surface à contrôler. Pour certaines applications, par exemple pour les mesures à l'intérieur de perçages, il peut être avanta- geux de munir la bobine de réception d'un cache et d'effectuer la mesure de la surface à contrôler uniquement avec la partie non recouverte de la bobine de mesure En faisant tourner une bobine de mesure ainsi mise en place, on peut obtenir le profil caractéristique le long de la pé- riphérie intérieure du perçage. Un noyau de ferrite placé au centre de la bo- bine augmente avantageusement l'effet de mesure de la bo- bine de contrôle. A la place de l'inductance de la bobine on peut en outre mesurer sa réactance On conserve ainsi inchangés les avantages et la mise en oeuvre du procédé. Dessins - Des exemples de réalisation de l'invention se- ront décrits ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe d'une sonde de con- trôle posée sur la surface à contrôler. la figure 2 est une coupe d'une réalisation particulière d'une sonde de contrôle et de l'élément de contrôle correspondant.10 la figure 3 est un détail de cette sonde. la figure 4 montre la structure de principe- d'un circuit électronique d'exploitation. Description - La figure 1 montre la structure de principe d'une sonde de contrôle nécessaire à la mise en oeuvre du procédé proposé Cette sonde se compose principalement d'un support de bobine il dont la pointe est munie d'une bobine de capteur 10 Ses extrémités sont reliées par deux lignes d'alimentation 13 à un générateur de courant alternatif, non représenté Les lignes d'alimentation 13 peuvent passer par un ou plusieurs perçages du support de bobine 11 Au centre de la bobine de détecteur 10, on peut prévoir un noyau en ferrite 12 La surface de la sonde de contrôle est adaptée à la surface 16 du matériau 15 à contrôler Dans l'exemple de la figure 1, le matériau à contrôler présente une surface plane 16 La surface de la sonde est également réalisée plane pour cela. La figure 2 montre une réalisation possible de la sonde de contrôle d'un corps d'injecteur ayant à sa pointe une soupape Dans ce cas, la surface 16 à contrôler est le siège de soupape de forme conique réalisé à l'extrémité d'un perçage effectué dans le matériau à con- trôler De façon correspondante, la pointe de la sonde de contrôle et la bobine de détecteur 10 sont également coni- ques De façon avantageuse, pour les réalisations détermi- s nées de la sonde de contrôle servant à contrôler des surfa- ces intérieures, le passage des lignes d'alimentation 13 de la bobine du capteur se fait toujours dans des perçages à l'intérieur du support 1 i de bobine, comme cela apparaît5 aux figures-2 et 1; cela peut également se faire dans des rainures réalisées à la périphérie du support de bobine. On décrira ci-après l'utilisation de la sonde de contrôle dans le cas de l'exemple du contrôle d'une sur- face nitrurée Pour l'opération de contrôle on applique la sonde de contrôle de manière jointive et fermement contre la surface 16 à contrôler Lorsque la surface 16 à contrô- ler est une surface intérieure comme à la figure 2, on glisse la sonde de contrôle suffisamment loin dans la pièce contrôlée jusqu'à ce qu'elle soit appliquée aussi étroite- ment que possible sur la surface à contrôler qui, à la fi- gure 1, correspond à un siège de soupape On alimente la bobine 10 de manière connue pour les procédés par scourant inductifs ou courants de Foucault, par un courant alterna- tif de haute fréquence pour créer un champ magnétique al- ternatif dans la bobine 10 En fonction de la fréquence du courant alternatif et des propriétés électriques et magné- tiques du matériau contrôlé, le champ magnétique alternatif pénètre dans le matériau 15 à contrôler Le matériau con- trôlé influence alors le champ magnétique alternatif quant à la profondeur de pénétration et à ses propriétés électri- ques et magnétiques Il s'établit un champ magnétique al- ternatif caractéristique mesurable La grandeur mesurée est l'inductance de la bobine et/ou la réactance de l'enroulement récepteur. Pour mettre en oeuvre le procédé on règle tout d'abord la fréquence du courant alternatif dans la bobine pour que la profondeur de pénétration du champ magnétique alternatif engendré soit faible, par exemple qu'elle se si- tue dans la plage de 3-10 pm par rapport à l'épaisseur to- tale de la couche de surface traitée 17 La fréquence précise se calcule de manière connue ou se détermine de ma- nière expérimentale par des mesures de référence On sup- pose pour cela que la matériau à contrôler possède la composition demandée pour ce matériau De faibles varia- tions de composition du matériau n'influencent pas en géné- ral de manière importante le résultat de la mesure et ces petites variations peuvent être acceptées. Le signal de mesure obtenu pour l'inductance de la bobine correspond avec une grande précision à la dureté moyenne de la couche de surface 17 du matériau contrôlé jusqu'à la profondeur de pénétration définie par la fré- quence La mesure à une fréquence plus élevée fournit pour cette raison une indication de ce que le matériau contrôlé présente, au moins directement à la surface 16, la dureté minimale demandée. Selon une seconde étape du procédé, on règle la fréquence du courant alternatif dans la bobine (appelé ci- après fréquence porteuse) pour que la profondeur de péné- tration du champ magnétique alternatif dans le matériau 15 contrôlé (appelé ci-après objet du contrôle) se situe dans une plage d'épaisseur minimale nécessaire pour la couche de surface 17 envisagée; cette épaisseur minimale est de ma- nière caractéristique de l'ordre de quelques centaines de gm Cette mesure à fréquence réduite donne une indication25 concernant la dureté moyenne de l'ensemble de la couche 17 contrôlée On peut alors en déduire par exemple une indica- tion concernant la résistance à l'usure de la couche 17 contrôlée Les profondeurs de pénétration différentes en fonction de la fréquence porteuse respective correspond à une relation représentée en traits interrompus dans l'objet contrôlé 15 de la figure 1 La référence T 1 désigne la pro- fondeur de pénétration pour une fréquence porteuse élevée; T 2 correspond à une fréquence porteuse faible Les valeurs pratiques pour le rapport T 2:T 1 peuvent alors être beaucoup plus importantes qu'à la figure 1 et l'on peut admettre sans difficulté par exemple la valeur T 2:T, = 60. La combinaison des deux étapes de mesure permet d'évaluer des matériaux quant à leur application, d'une ma- nière beaucoup plus sûre que cela n'était possible avec une mesure à une seule fréquence On peut par exemple rejeter des objets de contrôle dont la surface présente certes une propriété recherchée, en particulier la dureté exigée, mais qui ne sont pas suffisamment épais pour résister aux pertes d'usure prévisibles. Les deux étapes du procédé sont par exemple ef- fectuées, directement l'une à la suite de l'autre à l'aide d'une seule sonde de contrôle; la fréquence porteuse de la sonde de contrôle peut commuter entre la fréquence haute et la fréquence basse Il est également possible d'utiliser deux sondes de contrôle ayant chaque fois des fréquences porteuses fixes, l'objet contrôlé étant tout d'abord exposé à l'une des sondes de contrôle puis à l'autre. L'exploitation des résultats des mesures obtenus dans les deux étapes de procédé se fait avantageusement en comparant ces résultats simplement à des valeurs de référence prédé- terminées correspondant à une pièce de qualité irréprocha- ble Lorsque l'un des résultats de mesure diffère des valeurs de référence, on considère l'objet contrôlé comme défectueux. Un autre complément intéressant du procédé, utilisable également comme procédé automatique, consiste à contrôler l'objet pour trouver les défauts dans la matière. Cela peut se faire par un choix habile d'une autre fré-30 quence porteuse différente des deux fréquences servant à mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus Cela peut se faire simplement Pour cela on utilise le fait que l'action du champ magnétique alternatif sur un matériau contrôlé en- gendre dans celui- ci, d'une part, un effet ferro-électrique35 amplifiant le champ alternatif (cela repose sur l'alignement des aimants élémentaires dans le matériau con- trôlé) et, d'autre part, de manière connue, un effet de courants de Foucault qui atténue le champ alternatif Ces deux effets dépendent de la fréquence; l'effet ferromagné- tique diminue avec l'augmentation de la fréquence du champ alternatif alors que l'effet de courants de Foucault aug- mente Pour un contrôle des défauts du matériau on choisit, de manière générale, la fréquence du champ alternatif pour que le signal de mesure corresponde à un signal de mesure par rapport à l'air, d'un matériau sans défaut, correspon- dant au matériau contrôlé Si pour cette fréquence on ap- plique la sonde de contrôle sur le matériau à contrôler, il n'y a pas de signal de mesure dans l'hypothèse o le maté- riau contrôlé est parfait Lorsqu'on a un signal de mesure, cela signifie qu'il y a un défaut dans le matériau Les dé- fauts de forme du matériau à contrôler sont éliminés dans ce procédé de contrôle Celui-ci convient pour cette rai- son, par exemple pour des objets de contrôle ayant une forte dispersion d'un exemplaire à l'autre, ou des toléran- ces de forme, importantes. Pour un contrôle plus précis des surfaces inté- rieures, notamment celles de perçages, il peut être avanta- geux comme le montre la figure 3, de recouvrir partiellement la bobine de capteur 10 d'un matériau 18 con- ducteur d'électricité pour que le champ magnétique n'atteigne la surface à contrôler qu'au niveau de la zone 14 non recouverte En faisant tourner la sonde de contrôle on obtient des courbes représentant le profil qualitatif de la caractéristique de surface et en particulier sa dureté en fonction de la périphérie de la surface intérieure des perçages Cela permet non seulement de déceler les diffé- rences par rapport à des duretés minimales prédéterminées mais également, de déceler des défauts de contour intérieur comme ceux qui existent par exemple pour des irrégularités des rainures ou des fissures. Dans le cas de matériaux dont la surface a été traitée, comme par exemple des métaux nitrurés, la composi- tion de la matière de base (alliages FE) traitée et en par- ticulier nitrurée, influence le résultat de la mesure Il peut ainsi être avantageux d'effectuer des mesures rappor- tées à une grandeur de référence Les mesures de référence permettent de réduire au minimum l'influence des variations des composants élémentaires de l'alliage On effectue la mesure de référence avantageusement avec une bobine de ré- férence, supplémentaire, qui détecte l'inductance d'un ma- tériau de base non traité Pour obtenir une très grande précision de contrôle il peut en outre être avantageux pour l'objet contrôlé, d'effectuer des mesures avec la bobine de contrôle et avec la bobine de référence avant et après cha- que traitement. La figure 4 montre un schéma simplifié d'un montage pour la mise en oeuvre du procédé proposé Les par- ties essentielles du montage sont le générateur de courant alternatif 51 qui crée le courant alternatif pour la bobine20 ainsi qu'une installation de mesure composée d'une résis- tance 52, d'un condensateur 53 ainsi que de la bobine de capteur 10 L'objet à contrôler 15 avec sa surface 17 trai- tée est associé à la bobine de capteur Le signal de ten- sion appliqué à la bobine de capteur 10 est redressé par la diode 54 pour être lissé par le circuit 56 formé du redres- seur de lissage 57 et du filtre passe-bas 58 et être ampli- fié par le réseau amplificateur 55 pour donner la tension de sortie UM Le montage représenté à la figure 4 corres- pond par exemple à un grand nombre d'autres montages que peut exécuter sans difficulté l'homme du métier Il est en particulier possible de détecter non pas une variation d'inductance mais une variation de la réactance de la bo- bine En principe le procédé et la signification des résul- tats des mesures sont applicables de manière inchangée dans ce cas. Le procédé proposé n'est pas fondamentalement limité à une application au contrôle des surfaces de maté- riaux métalligues On peut également l'utiliser directe- ment, ou avec une adaptation appropriée, pour analyser5 d'autres matériaux ou d'autres couches. R E V E N D I C A T I O N S ) Procédé de contrôle non destructeur de la surface de matériaux conducteurs électriques à l'aide d'une bobine de contrôle créant un champ magnétique alternatif auquel on expose le matériau contrôlé, procédé caractérisé en ce que: on règle une première fréquence de courant alternatif dans la bobine, fréquence pour laquelle la profondeur de pénétration du champ magnétique alternatif dans le maté- riau contrôlé ( 15) est faible par rapport à l'épaisseur demandée pour la couche de surface ( 17) traitée, on mesure la variation d'inductance que provoque dans la bobine ( 10) le champ magnétique alternatif réglé, on répète ces étapes avec une seconde fréquence de cou- rant alternatif dans la bobine, fréquence pour laquelle la profondeur de pénétration du champ magnétique alterna- tif dans le matériau ( 15) à contrôler correspond sensi- blement à l'épaisseur demandée de la couche de surface traitée ( 17), à partir des résultats des mesures on en déduit une in- formation pour savoir si la surface contrôlée ( 16, 17) présente les caractéristiques de matière demandées. ) Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'information concernant les caractéristi- ques de la matière sont la dureté et/ou l'épaisseur de la surface contrôlée ( 17, 18). 3 ) Procédé de contrôle non destructeur de la surface de matériaux conducteurs électriques à l'aide d'une bobine de contrôle créant un champ magnétique alternatif auquel on soumet le matériau contrôlé, procédé caractérisé en ce que: on règle une fréquence de courant alternatif dans la bo- bine, fréquence pour laquelle la variation d'inductance provoquée par un matériau parfait ( 15) dans la bobine 1 A correspond exactement à la variation d'inductance de la bobine ( 10) dans l'air, on mesure la variation d'indictance provoquée par le champ magnétique alternatif qui s'établit dans la bobine 10, on en déduit une information sur les caractéristiques de matière de la surface ( 16, 17) du matériau contrôlé ( 15) en partant des résultats de mesures. ) Procédé selon la revendication 1, caracté- risé par les étapes suivantes: on règle une troisième fréquence de courant alternatif dans la bobine, fréquence pour laquelle la variation d'inductance dans la bobine ( 10) engendrée par un maté- riau parfait ( 15) correspond exactement à la variation d'inductance de la bobine dans l'air, on mesure la variation d'inductance provoqué dans la bo- bine ( 10) par le champ magnétique alternatif, on déduit une information relative à la caractéristique de la matière de la surface ( 16, 17) du matériau contrôlé ( 15) à partir du résultat de la mesure obtenue avec la troisième fréquence alternative dans la bobine ) Sonde de contrôle pour le contrôle non des- tructeur de la surface de matériaux conducteurs électriques avec un support de bobine ( 11) ainsi qu'une bobine de cap- teur ( 10) à la pointe du support, sonde caractérisée en ce que la pointe de la sonde avec la bobine de capteur ( 10) correspond de par sa forme à la surface ( 16) à contrôler. ) Sonde de contrôle selon la revendication 5, caractérisée par une pointe de forme conique 70) Sonde de contrôle selon la revendication 5, caractérisée en ce que la bobine de capteur ( 10) est par- tiellement recouverte d'un matériau conducteur d'électricité ( 18) du côté o elle est exposée au matériau ( 15) à contrôler.