Brevet FR2849197A1 — publié le 20040625

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE PHOTOTHERMIQUE DE FLANS D'ACIERS COLLES La présente invention concerne le domaine du contrôle non-destructif des flans d'aciers collés, c'est-à-dire constitués de pièces minces d'acier superposées et collées entre elles au moyen d'une âme de polymère. Ce type de flans collés se rencontre par exemple dans l'industrie automobile, 5 o l'on cherche à assurer un renforcement de la structure par l'intermédiaire d'une surépaisseur, avec une pièce collée localement sur un flan principal: ce mode de renfort vise notamment les ouvrants (parties destinées à l'emplacement des charnières, des poignées de porte ou des hayons arrière des véhicules, très sollicitées mécaniquement), les coupelles de suspension, 10 les longerons La gamme typique d'épaisseur individuelle des pièces minces d'acier mise en oeuvre dans cette technique de renforcement local va de 0,5 à 3 millimètres. Parmi les structures collées acier-polymère-acier, on trouve également les tôles " sandwich ", qui contribuent à une réduction notable des nuisances acoustiques. Dans le cas de flans collés très sollicités mécaniquement, il est indispensable de procéder systématiquement à un contrôle non destructif en ligne lors de la fabrication pour garantir la tenue mécanique ultérieure Les défauts que l'on cherche à détecter sur ces flans collés sont divers: manque local ou variation 20 d'épaisseur de polymère, manque d'adhésion entre l'âme de polymère et les pièces d'acier Il faut également tenir compte du fait qu'un procédé de contrôle efficace doit intégrer les caractéristiques d'une ligne de production industrielle: contrôle de plusieurs pièces par minute, pièces parfois en mouvement au moment du contrôle. Il est déjà connu un procédé de contrôle non-destructif par thermographie, dont le principe est le suivant: on excite la pièce à contrôler par un apport de chaleur localisé au voisinage de sa surface Cet apport impulsionnel donne ensuite lieu à un transfert de chaleur conductif au cours duquel la diffusion thermique est influencée par tout ce qui peut modifier les échanges au 2 2849197 voisinage de la région excitée: dans le cas particulier de pièces collées, les défauts tels que les excès de polymère, délaminations, sont équivalents à des résistances thermiques et se traduisent par un échauffement supérieur à celui d'une région saine Naturellement, la détection de la différence de 5 température (ou " contraste thermique ") entre une région comportant un défaut et une région exempte de défaut n'est possible que si cette différence est supérieure à un certain seuil, afin de distinguer sans ambiguté la présence d'un défaut de celle de fluctuations locales (" bruit ") inévitables. Ceci est d'autant plus difficile que le matériau possède une bonne diffusivité 10 thermique, puisque la température a tendance à s'uniformiser très rapidement. Jusqu'à présent, la détection de défauts sur flans collés d'aciers nus ou revêtus en faible épaisseur s'est heurtée à la difficulté de définir un procédé de chauffage et des paramètres adaptés, car la diffusivité et la 15 réflectivité élevées des pièces sont des obstacles importants à la création de contrastes thermiques suffisants Il est par ailleurs difficile d'effectuer la détection de défauts dans des conditions industriellement acceptables: ainsi, on ne peut envisager industriellement de diminuer la réflectivité des surfaces, même de façon temporaire (peinture, huile, eau) pour faciliter le chauffage 20 des flans d'aciers. Le but de la présente invention est de mettre à disposition un procédé et un dispositif de contrôle photothermique de flans d'aciers collés pour la détection d'éventuels défauts. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé de contrôle de flans constitués de pièces d'acier d'épaisseur individuelle comprise entre 0,5 et 3 mm superposées et collées entre elles par une âme de polymère, caractérisé par le fait que l'on chauffe les flans grâce à une source de chaleur avec une 25 densité d'énergie surfacique uniforme rapportée à la surface chauffée directement, comprise entre 6 et 28 J/cm 2 et une densité de puissance supérieure à 10 W/cm 2, on laisse refroidir ceux-ci de manière à obtenir un écart thermique maximal entre les différentes zones des flans ayant été chauffées de manière simultanée On enregistre la répartition thermique de 30 des flans par thermographie infrarouge, et on compare celle-ci à une répartition thermique de référence correspondant à celle d'un flan sans défaut, ou à une répartition thermique correspondant à celles de flans comportant des défauts dont la taille ou la nature sont considérées comme acceptables, et on décide par seuillage de l'acceptation ou du rejet des flans. 5 L'invention peut présenter avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: Le chauffage des flans est effectué par rayonnement infrarouge. Le chauffage des flans est réalisé par convection forcée La source de chaleur est située à une distance de 10 à 30 mm de la partie 10 supérieure des flans collés Sur des flans constitués de deux pièces d'acier d'épaisseur inégale, le chauffage est effectué préférentiellement du côté de la plus mince des pièces L'enregistrement thermographique est effectué du même côté que la source de chaleur par rapport aux flans La surface directement chauffée des flans comporte un revêtement à base de zinc ou d'aluminium Les flans sont plans ou comportent des parties non- planes Les flans sont en mouvement relatif par rapport au système de chauffage Une variation locale d'épaisseur de polymère est évaluée par une variation 20 proportionnelle de la température locale. L'invention a également pour objet un dispositif de contrôle de flans constitués de pièces d'acier d'épaisseur individuelle comprise entre 0,5 et 3 mm superposées et collées entre elles par une âme de polymère, comprenant un moyen de chauffage dont la densité surfacique d'énergie 25 rapportée à la surface des flans chauffée directement est comprise entre 6 et 28 J/cm 2 et la densité de puissance supérieure à 10 W/cm 2, une caméra de thermographie infrarouge, des moyens de mesure et de visualisation des températures des flans, des moyens de seuillage permettant de décider de l'acceptation ou du rejet des flans contrôlés. Préférentiellement, le moyen de chauffage est une lampe radiante infrarouge La longueur d'onde de la lampe radiante infrarouge est avantageusement 4 2849197 comprise entre 0,3 et 1 micromètre. Selon une autre caractéristique de l'invention, le moyen de chauffage est constitué d'un générateur et d'un moyen de soufflage d'air chaud. La bande spectrale de détection de la caméra de thermographie infrarouge est avantageusement comprise entre 2,5 et 14,5 micromètres Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de contrôle comprend un dispositif de déplacement relatif à vitesse constante des flans par rapport au moyen de chauffage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 10 donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence aux figures 1 à 6, annexées selon lesquelles: la figure 1 présente schématiquement le cycle thermique observé après un chauffage bref à la surface d'un flan collé, avec ou sans défaut. La figure 2 illustre l'évolution de la température maximale et du contraste 15 maximal de flans collés comportant un défaut, avec la densité d'énergie de chauffage. La figure 3 présente l'évolution du contraste thermique en fonction de la densité d'énergie, suivant que la mesure de température est effectuée du même côté que la source de chaleur ou du côté opposé. La figure 4 illustre l'influence de l'épaisseur de la couche de polymère sur le contraste thermique maximal. La figure 5 illustre un exemple de répartition des isothermes sur la surface d'un flan comportant un défaut de collage. La figure 6 présente un second exemple de la répartition des isothermes à 25 la surface d'un flan collé comportant également un défaut. Pour illustrer l'évolution de la température superficielle provoquée par un chauffage bref appliqué grâce à une source d'énergie de densité surfacique uniforme sur une face d'un flan, la figure 1 présente schématiquement le cas d'un flan (acier-polymère-acier) collé de façon 30 parfaite (courbe A) ou comportant un défaut de liaison (courbe B) tel qu'une surépaisseur locale ou un manque de polymère se traduisant par un vide local entre les deux tôles d'acier Les deux flans sont soumis à un chauffage simultané La figure 1 illustre l'évolution, en fonction du temps, de la :±I * température de la surface située du même côté que la source de chaleur. Après le début du chauffage, dans les deux cas considérés, la température s'élève initialement de manière simultanée pour passer par un maximum Om. La valeur absolue de la température dans le flan comportant un défaut (Om B) 5 est cependant plus élevée, en raison de la conductibilité thermique locale moindre Lors du refroidissement ultérieur, l'écart de température entre les courbes A et B passe par un maximum à un instant tm Le contraste thermique C, qui représente l'écart de température à un instant donné entre les deux cas considérés, est maximal à l'instant tm Au voisinage de cet 10 instant, un défaut éventuel sera donc détecté avec une précision optimale Le contraste maximal est désigné par Cm. A partir d'essais réalisés dans différentes conditions sur des flans constitués de pièces d'acier nu ou revêtu collées, l'épaisseur individuelle de ces pièces étant comprise entre 0,5 et 3 mm, les inventeurs ont pu mettre en évidence (figure 2) que la température maximale O m et le contraste Cm dépendaient de la densité surfacique d'énergie thermique Es. Le chauffage doit être suffisamment important pour générer un contraste thermique significatif entre une zone avec et une zone sans défaut La figure 2 indique qu'un contraste d'au moins 5 C est créé si la densité d'énergie est 20 supérieure à 6 J/cm 2 Par ailleurs, le chauffage doit être maintenu dans une certaine limite pour éviter d'endommager le polymère assurant la liaison des parties métalliques. Pour des pièces collées à chaud à la presse, il convient de ne pas dépasser une température de 90 C en surface du produit sous peine d 'altérer la liaison 25 entre l'acier et le polymère Cette condition revient à limiter la densité d'énergie à 28 J/cm 2 et définit le domaine de l'invention illustré par la figure 2. La densité surfacique d'énergie Es est le produit de la densité surfacique de puissance Ps de la source de chaleur (puissance/surface chauffée directement par la source) par le temps d'exposition te, ce terme désignant 30 la durée de chauffage dans le cas d'une source fixe par rapport au flan, ou bien le temps de passage d'un point donné du flan sous la source dans le cas d'un déplacement relatif Les inventeurs ont constaté qu'il n'était pas 6 2849197 possible d'obtenir des résultats satisfaisants lorsque la densité de puissance est trop faible, même si le temps d'exposition est long A partir d'essais effectués dans différentes conditions, les inventeurs ont mis en évidence qu'une densité surfacique de puissance minimale de 10 W/cm 2 est nécessaire pour obtenir un chauffage efficace. Les inventeurs ont également mis en évidence que ces conditions sont obtenues de façon satisfaisante, par chauffage par rayonnement infrarouge ou par convection forcée La distance entre la -source de chauffage et la partie supérieure du flan ne doit pas être supérieure à 30 10 mm sous peine de diminuer l'efficacité du chauffage et de provoquer un élargissement excessif de surface de la zone chauffée, dont la valeur est alors différente de celle chauffée directement en regard de la source Mais cette distance ne doit pas être inférieure à 10 mm sous peine d'un échauffement local excessif du polymère. Dans son principe, la mesure de température par thermographie est effectuée soit du côté du flan chauffé par la source, soit du côté opposé A partir d'essais réalisés sur deux pièces électrozinguées de 0 8 mm collées par une couche de polymère de 0 4 mm d'épaisseur, la figure 3 indique la variation de la valeur absolue du contraste maximal Cm en fonction de la 20 densité d'énergie de la source La mesure de température effectuée du même côté que celui de la source (courbe C) permet d'obtenir un meilleur contraste thermique (supérieur de 2 C) que celui effectué du côté opposé (courbe D) à la source de chauffage Ainsi, même si la mesure est possible suivant ce dernier mode, il est préférable d'effectuer le contrôle 25 du même côté que celui de la source, particulièrement lorsque la densité d'énergie mise en jeu est faible, de façon à obtenir un contraste significativement supérieur à 5 C, et donc une sensibilité accrue à la présence de défauts De plus, lorsque les deux produits collés ont une épaisseur sensiblement différente, les inventeurs ont mis en évidence qu'il 30 est avantageux d'effectuer le contrôle du côté du produit le plus mince pour obtenir le contraste le plus élevé. A partir d'essais effectués sur des flans collés constitués de pièces d'aciers d'épaisseur allant de 0,5 à 3 mm, les inventeurs ont mis en 7 2849197 évidence que les conditions du procédé de contrôle définies selon l'invention sont adaptées à la détection de défauts sur flans constitués à partir de pièces d'acier nu, ou d'acier revêtu (revêtement à base de zinc ou d'aluminium) Le procédé de contrôle selon l'invention est applicable aussi bien sur des flans collés plans que sur des flans comportant des formes complexes, notamment obtenus après emboutissage des flans collés. Dans ce cas, la source de chaleur est située à une distance de la partie supérieure des flans comprise entre 10 et 30 mm. Le procédé selon l'invention est adapté à un contrôle au défilé de flans collés: dans ce cas, les flans défilent par exemple sous un dispositif fixe de chauffage par radiation ou par convection, puis sous une caméra fixe de thermographie De la sorte, les flans sont en mouvement relatif par rapport à la source de chaleur La vitesse constante de passage V des pièces (déterminant le temps d'exposition t E) est choisie de façon à obtenir une densité de puissance au chauffage supérieure à 10 W/cm 2. La distance L séparant le dispositif de chauffage de celui de mesure de température est choisie à partir du temps de contraste maximal tm, c'est à dire sensiblement égale à V x tm De la sorte, les cartographies 20 thermiques établies sont établies dans les conditions voisines de celles du contraste maximal. Les inventeurs ont également établi de manière nouvelle que le procédé selon l'invention permet d'évaluer le type de défaut (manque ou surépaisseur de polymère) et sa nocivité La figure 4, présentant par exemple 25 le contraste thermique maximal relevé sur un flan constitué d'une pièce d'acier d'épaisseur de 1,7 mm collée par polymère sur une autre pièce d'acier de 0,75 mm, indique qu'il existe une relation linéaire entre l'épaisseur de la couche de polymère et la température locales Ainsi, par rapport à une situation nominale (épaisseur de polymère conforme à celle 30 visée), toute diminution ou augmentation relative locale de température est susceptible de traduire la présence d'un défaut, sa nature (sousépaisseur ou sur-épaisseur par rapport à l'épaisseur nominale de polymère) Ceci crée les conditions d'un système de tri précis, basé sur un seuil d'acceptabilité des défauts. Lorsque le chauffage est effectué par lampe infrarouge, la longueur d'onde est de préférence comprise entre 0,3 et 1 micromètre En effet, 1 'émissivité du produit est la plus élevée dans les courtes longueurs 5 d'onde, et son absorptivité la plus grande De plus, l'échantillon étant chauffé à température relativement basse, émet le plus d'énergie dans une gamme de grandes longueurs d'ondes C'est pourquoi la bande spectrale de la caméra de détection est avantageusement comprise entre 2,5 et 14,5 micromètres. Sans que cette description soit limitative, I'appareillage de thermographie infrarouge comprend avantageusement les éléments suivants: Un système optique adapté à un domaine spectral de l'infrarouge, Un ou plusieurs transducteurs opto-électroniques qui explorent l'image infrarouge par des moyens opto-mécaniques ou électriques, Un système d'édition d'images en lumière visible, traduisant visuellement l'image thermique, Des moyens de mesure en temps réel, Un système de seuillage, Des moyens d'archivage analogique et/ou numérique. La présente invention va être maintenant illustrée à partir des exemples suivants: Exemple 1: On a appliqué le procédé selon l'invention dans le but de détecter des défauts sur flans collés de 100 x 150 mm 2 constitués de deux pièces d'aciers 25 électrozinguées de 0,8 mm et d'une âme de polymère de 0,4 mm d'épaisseur Des flans ont été chauffés au défilé (vitesse de défilement constante V= 25 mm/s) au moyen d'une lampe radiante infrarouge avec une densité d'énergie spécifique de 26 J/cm 2, une densité spécifique de puissance de 10 W/cm 2 La lampe radiante est située à une hauteur de 20 30 mm par rapport aux flans La répartition de température à la surface des flans est évaluée grâce à une caméra de thermographie dotée d'une bande spectrale de 7,9 à 14,5 micromètres, située du même côté que la source de chauffage par rapport aux flans Cette caméra est située en aval dans le sens 9 2849197 de défilement des produits à une distance de 50 mm du système de chauffage Dans ces conditions, le contraste thermique est proche du contraste thermique maximal, ce qui permet une meilleure précision de détection des défauts éventuels La figure 5 illustre la répartition des 5 isothermes (les valeurs indiquées étant exprimées en degrés Celsius) sur la surface d'un flan comportant un défaut: Un échauffement d'environ 15 C par rapport à la température moyenne au centre du flan traduit nettement une absence locale de polymère. Exemple 2: Le flan collé comportant un défaut présenté dans l'exemple 1 a fait l'objet de contrôle dans d'autres conditions: celui-ci a été chauffé au défilé par convection forcée au moyen d'un générateur d'air chaud soufflé Le moyen de soufflage d'air chaud est situé à une distance de 20 mm du flan La densité d'énergie et de puissance surfaciques mises en oeuvre dans ces 15 conditions sont respectivement de 23 J/cm 2 et 400 W /cm 2 La répartition de température, mesurée par une caméra thermographique située en aval dans le sens de défilement des produits à 50 mm de la zone de chauffage, met en évidence un contraste thermique de 5 C autorisant une visualisation aisée des défauts de collage. Exemple 3: Le procédé selon l'invention a été appliqué à la détection de défauts sur flans constitués d'une pièce d'acier de 1,2 mm sur laquelle est collée une pièce d'acier circulaire de 0,7 mm d'épaisseur Le chauffage et le contrôle thermographique ont été effectués dans les mêmes conditions que dans 25 I'exemple 1. La figure 6 illustre la répartition des isothermes à la surface du flan, les valeurs indiquées étant exprimées en degrés Celsius La différence d'environ 10 C entre ces différentes zones traduit la répartition inégale du polymère entre la périphérie et le centre de la pièce circulaire. L'intérêt du procédé et du dispositif selon l'invention réside notamment dans la possibilité d'un contrôle rapide, non destructif, et totalement automatisé des flans d'acier collés, éliminant la nécessité d'un contrôle statistique destructif plus long et d'une moindre fiabilité. - ,i: : _ I le: le W,, , :'_,_ _ 1-I: 2849197 REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle d'au moins un flan constitué d'au moins deux pièces d'acier d'épaisseur individuelle comprise entre 0,5 et 3 mm superposées et collées entre elles par une âme de polymère, caractérisé en ce que: on chauffe l'au moins un flan grâce à une source de chaleur avec une 10 densité d'énergie surfacique uniforme rapportée à la surface chauffée directement, comprise entre 6 et 28 J/cm 2 et une densité de puissance supérieure à 10 W/cm 2, on laisse refroidir l'au moins un flan de manière à obtenir un écart thermique maximal entre les différentes zones de l'au moins un flan ayant été chauffées 15 de manière simultanée, on enregistre la répartition thermique de l'au moins un flan par thermographie infrarouge, on compare la répartition thermique obtenue sur l'au moins un flan à une répartition thermique de référence correspondant à celle d'un flan sans 20 défaut, ou à une répartition thermique correspondant à celles de flans comportant des défauts dont la taille ou la nature sont considérées comme acceptables, et on décide par seuillage de l'acceptation ou du rejet de l'au moins un flan 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chauffage 25 est effectué par rayonnement infrarouge 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit chauffage est effectué par convection forcée 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite source de chaleur est située à une distance de la partie 30 supérieure de l'au moins un flan, comprise entre 10 et 30 mm Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 de contrôle d'au moins un flan constitué d'au moins deux pièces d'acier d'épaisseur il 2849197 inégale, caractérisé en ce que ledit chauffage est effectué du côté de la plus mince desdites pièces d'acier 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit enregistrement thermographique est effectué du même côté que ladite source de chaleur par rapport à l'au moins un flan 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la surface directement chauffée de l'au moins un flan comporte un revêtement à base de zinc ou d'aluminium 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'au moins un flan est plan 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'au moins un flan comporte des parties non planes Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que l'au moins un flan est en mouvement relatif par rapport à ladite 15 source de chaleur 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'une variation locale d'épaisseur dudit polymère est évaluée à partir d'une variation proportionnelle de la température locale. 12 Dispositif de contrôle d'au moins un flan constitué d'au moins deux 20 pièces d'acier d'épaisseur individuelle comprise entre 0,5 et 3 mm superposées et collées entre elles par une âme de polymère, caractérisé en ce qu'il comprend: Un moyen de chauffage dont la densité surfacique d'énergie rapportée à la surface dudit au moins un flan chauffée directement est comprise entre 6 et 25 28 J/cm 2 et la densité de puissance supérieure à 10 W/cm 2 Une caméra de thermographie infrarouge Des moyens de mesure et de visualisation des températures de l'au moins un flan Des moyens de seuillage permettant de décider de l'acceptation ou du rejet 30 de l'au moins un flan contrôlé 13 Dispositif de contrôle selon la revendication 12 caractérisé en ce que ledit moyen de chauffage est une lampe radiante infrarouge 14 Dispositif de contrôle selon la revendication 13 caractérisé en ce que la 12 2849197 longueur d'onde de ladite lampe radiante infrarouge est comprise entre 0, 3 et 1 micromètre Dispositif de contrôle selon la revendication 12 caractérisé en ce que le moyen de chauffage est constitué d'un générateur et d'un moyen de soufflage d'air chaud 16 Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que la bande spectrale de détection de ladite caméra de thermographie infrarouge est comprise entre 2,5 et 14,5 micromètres 17 Dispositif de contrôle selon l'une quelconque des revendications 12 à 10 16 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de déplacement relatif à vitesse constante de l'au moins un flan par rapport audit moyen de chauffage.