Brevet FR2883640A1 — publié le 20060929

DISPOSITIF DE CONTROLE PAR ULTRASONS D'UNE PIECE EN IMMERSION L'invention concerne un dispositif de contrôle par ultrasons d'une pièce en immersion, telle notamment qu'une aube de grande taille et de forme complexe comprenant un raidisseur interne formé d'une tôle pliée qui est fixée, par exemple soudée par points sur l'intrados et sur l'extrados de l'aube. On peut détecter des défauts d'une pièce par un examen aux rayons X quand les pièces examinées ont des formes simples, ce qui n'est pas le cas des aubes précitées dont les formes sont complexes et qui ont de plus des épaisseurs d'intrados variables sur leur hauteur. Il est possible d'examiner point par point une pièce au moyen de faisceaux d'ondes ultrasonores, mais cet examen peut prendre un temps considérable lorsque la pièce a des dimensions importantes et des formes complexes et devient alors impossible à réaliser de façon pratique dans un environnement industriel. La présente invention a pour but d'apporter une solution simple et efficace à ce problème. Elle a pour objet un dispositif de contrôle par ultrasons d'une pièce du type précité, qui soit utilisable dans un environnement industriel et qui permette une détection fiable et rapide des défauts de structure de la pièce, notamment de ses points de soudure. Elle propose à cet effet un dispositif de contrôle par ultrasons d'une pièce en immersion, ce dispositif comprenant une cuve d'immersion remplie de liquide, tel que de l'eau, un transducteur émettant un faisceau d'ondes ultrasonores et captant des échos générés par des réflexions de ce faisceau sur la pièce à contrôler, des moyens de balayage de la surface de cette pièce par le faisceau émis par le transducteur et des moyens de traitement des échos captés par le transducteur pour la détection et la localisation des défauts de cette pièce, caractérisé en ce que, la pièce à contrôler étant une aube de forme complexe comprenant un raidisseur interne en tôle pliée qui est fixé par points sur l'intrados et l'extrados de l'aube, et les défauts recherchés étant des défauts de fixation du raidisseur interne sur l'intrados et sur l'extrados de l'aube, la fréquence des ondes ultrasonores émises par le transducteur est d'environ 15MHz, et la colonne d'eau entre le transducteur et la surface de l'aube est approximativement égale à la longueur focale du transducteur. Dans le dispositif selon l'invention, la fréquence de 15MHz des ondes ultrasonores permet de détecter des défauts de soudure du raidisseur ayant une dimension minimale de 0,2mm. La focalisation des ondes ultrasonores à la surface de la pièce et une longueur focale de 50mm du transducteur permettent de détecter ces défauts à travers une épaisseur de paroi dont la valeur maximale atteint 10mm. Pour que la durée des contrôles soit acceptable en milieu industriel, il est avantageux que la dimension de la tâche focale du faisceau d'ondes ultrasonores soit d'environ 0,5 à 0,8mm à -6dB (ce qui correspond à 50% de l'amplitude captée). Le rapport signal sur bruit de l'écho capté doit être acceptable et est choisi selon l'invention pour être supérieur ou égal à 8, ce rapport étant défini par le logarithme du rapport (amplitude du défaut / bruit de fond) x 20. Le transducteur du dispositif selon l'invention est porté par un bras robot articulé et ses tolérances de positionnement sont d'environ +/-0,4 à +/-0,6mm dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau, et d'environ 0,3 sur la perpendicularité de l'axe du faisceau par rapport à la surface à balayer. Les moyens de traitement des échos captés par un conducteur comprennent un système d'imagerie du type C-SCAN en amplitude et en temps de vol. Ce dispositif est préalablement calibré sur une aube comportant des défauts artificiels formés par des trous à fond plat de différents diamètres, par exemple de 0,2mm, 0,4mm et 0,8mm. Ce dispositif permet de contrôler, de façon rapide et fiable, des 5 aubes de grande dimension du type SPFDB (super plastic forming and diffusion bonding) de 84 pouces (2133,6mm). L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de contrôle selon l'invention - la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe transversale d'une aube à contrôler au moyen du dispositif de la figure 1; - les figures 3 et 4 sont des vues des faces internes de l'intrados et de l'extrados d'une aube comportant des défauts artificiels dans des zones à contrôler. Le dispositif de contrôle selon l'invention, qui est représenté schématiquement en figure 1, comprend essentiellement un transducteur ultrasonore 10, qui est porté par un bras robot articulé 12 pour l'examen d'une pièce 14 immergée dans une cuve 16 remplie d'eau 18, l'eau assurant le couplage entre le transducteur 10 et la pièce à contrôler 14. De façon bien connue, le transducteur 10 est de préférence orienté perpendiculairement à la surface à contrôler et émet un faisceau d'ondes ultrasonores dont les réflexions par les composants de la pièce 14 génèrent des échos qui sont captés par le transducteur 10. La pièce 14 à contrôler est ici une aube de grande dimension et de forme complexe, dont une vue partielle en coupe transversale est représentée schématiquement en figure 2. L'aube 14 est du type SPFDB (super plastic forming and diffusion bonding) et a des dimensions importantes (par exemple une hauteur de 84 pouces ou 2133,6mm). Une aube de ce type est obtenue à partir de plaques soudées par diffusion, par exemple à 925 C et à 40 bars de pression pendant 3 heures, qui sont ensuite déformées en cambrage à 925 C, mises à longueur, puis vrillées à 650 C avec un maintien en pression, et soumises à une opération finale de gonflage, réalisée par exemple à 925 C pendant 5 heures. Les plaques utilisées sont laminées et réalisées en titane TA6V. L'aube 14 comprend un extrados 20 et un intrados 22 entre lesquels est disposé un raidisseur interne 24 formé d'une tôle pliée (réalisée en titane dans cet exemple) qui est fixée, par exemple collée, brasée ou soudée par points sur l'intrados et sur l'extrados en des zones 26. L'aube 14 est cambrée et vrillée et son profil (son rayon de courbure) peut varier d'une aube à l'autre. De plus, l'épaisseur de l'intrados est variable sur la hauteur de l'aube, typiquement entre 1 et 10mm dans l'exemple représenté. Ce type d'aube n'était pas contrôlable par un faisceau d'ondes ultrasonores dans la technique antérieure, dont les moyens ne permettaient pas de réaliser un suivi de profil satisfaisant sur toute la hauteur de l'aube. Le dispositif selon l'invention permet de réaliser ce contrôle au moyen d'un transducteur ultrasonore focalisé porté par un bras robot articulé, grâce au fait que les paramètres de ces moyens de contrôle ont été identifiés et définis avec précision. Les paramètres identifiant les défauts détectés permettent de définir un certain nombre de paramètres des moyens de contrôle utilisés. Une dimension minimale d'un défaut de soudure égale à 0,2mm permet de définir une fréquence égale à 15MHz des ondes ultrasonores émises par le transducteur 10, cette fréquence étant définie par le rapport de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans le matériau et du double de la dimension minimale de défaut à détecter. L'épaisseur variable de l'intrados de l'aube à contrôler, comprise entre 1 et 10mm, impose une résolution égale à trois fois la longueur d'onde des ondes ultrasonores. La valeur maximale de l'épaisseur de l'intrados, égale à 10mm, détermine la valeur de la colonne d'eau entre le transducteur 10 et la surface à contrôler, ainsi que la longueur focale du transducteur, cette colonne d'eau devant être supérieure à 44mm et le faisceau étant focalisé sur la surface de la pièce. Le rapport signal/bruit doit être acceptable et selon l'invention est déterminé pour être supérieur ou égal à 8. Les durées des contrôles des aubes 14 doivent être limitées à des valeurs raisonnables, ce qui conduit à définir une dimension de tâche focale du faisceau supérieure ou égale à 0,5mm à -6dB. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le transducteur 10 retenu a les caractéristiques suivantes: - une longueur focale de 50mm; un diamètre égal à 9,53mm; - une fréquence égale à 15MHz; - un diamètre de tâche focale à -6dB égal à 0,67mm; et - un rapport signal/bruit égal à 9. En ce qui concerne le bras robot 12, les tolérances admissibles pour la détection d'un défaut d'une dimension de 0,2mm au niveau de l'épaisseur maximale de l'intrados 22 de l'aube sont les suivantes: - la colonne d'eau est comprise entre 50 et 60mm; - les positions de l'axe d'émission du transducteur 10 dans un plan perpendiculaire à cet axe sont d'environ + /-0,5mm (en pratique, elles sont de +/-0,55mm et de +/-0,46mm respectivement le long de deux axes perpendiculaires définissant le plan précité) ; et - la précision de la perpendicularité de l'axe du faisceau par rapport à la surface à contrôler est définie à +/-0,30 . Les échos captés par le transducteur 10 sont traités par un système d'imagerie du type C-SCAN, qui permet de représenter une vue en plan d'un objet, dans un plan parallèle à la surface du transducteur aux moyens d'échos seuillés qui correspondent à une certaine gamme de profondeurs dans la pièce à contrôler. Un calibrage du dispositif de contrôle selon l'invention est préalablement réalisé avec des aubes telles que celles représentées aux figures 3 et 4, qui comportent des défauts artificiels d'un type connu. L'aube 14 de la figure 3 est une aube en titane de 84 pouces de hauteur, qui comporte des plaquettes 30 fixées sur la face interne de son intrados 22, ces plaquettes 30 comportant des trous calibrés à fond plat 32 ayant par exemple des diamètres de 0,2 mm, 0,4 mm et 0,8 mm respectivement. Ces plaquettes 30 sont fixées dans des zones correspondant à des zones de soudure du raidisseur interne 24 et les mesures de calibrage sont faites à travers l'intrados. La figure 4 montre la face interne de l'extrados 20 de l'aube 14, avec une répartition différente des plaquettes 30 formées avec les trous calibrés à fond plat 32. Dans ce dispositif, la cuve 16 est une enceinte métallique de dimensions 1m x 1,4m x 1,1m. Le capteur 10 est fixé en bout d'un bras robot 12 à 5 axes de déplacement ayant les caractéristiques suivantes: -trois axes de translation, avec des courses de 450 à 855 mm suivant les axes, des vitesses de déplacement de 200 à 400 mm/s, et des précisions de déplacement de 5 m/m, - deux axes de rotation, avec une course de 100 , une vitesse de rotation de 50 /s, et une résolution égale à 0,01 . Le contrôle des aubes comporte des étapes préparatoires, et des étapes de mesure. Les étapes préparatoires comprennent: - une caractérisation du mécanisme cinématique (définition des longueurs de bras et des décalages d'axes), réalisée au moyen d'un laser suiveur. Les valeurs mesurées sont utilisées pour modifier le modèle théorique du robot. II peut aussi être nécessaire de prendre en compte l'inertie embarquée. - une calibration du dispositif, pour définir les référentiels de programmation, effectuée au moyen d'un système connu du type DYNACAL par exemple. - une détermination des trajectoires théoriques, avec des moyens de programmation hors ligne. Les étapes de mesure (le contrôle proprement dit) comprennent: -la mesure de la forme de l'aube réelle à contrôler (mesures sans contact ou par contact), et re-détermination des points de passage de la trajectoire, l'étalonnage du capteur, - la calibration des orientations optimales, avec une définition de la première orientation à partir d'un signal fourni par le capteur par itérations successives en cycle automatique sur un point de la trajectoire, puis redétermination de l'ensemble des orientations des points de mesure par rapport à cette première mesure, - l'exécution du cycle automatique de mesure sur l'aube, - l'analyse des mesures et le retour sur défaut si nécessaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle par ultrasons d'une pièce en immersion, ce dispositif comprenant une cuve d'immersion (16) remplie d'un liquide (18) tel que de l'eau, un transducteur (10) émettant un faisceau d'ondes ultrasonores et captant des échos générés par les réflexions de ce faisceau sur la pièce (14) à contrôler, des moyens (12) de balayage de la surface de cette pièce par le faisceau émis par le transducteur (10) et des moyens de traitement des échos captés par le transducteur pour la détection et la localisation des défauts de la pièce (14), caractérisé en ce que, la pièce à contrôler étant une aube (14) de forme complexe comprenant un raidisseur interne (24) en tôle pliée qui est fixé par points sur l'intrados (22) et sur l'extrados (20) de l'aube et les défauts recherchés étant des défauts de fixation du raidisseur interne (24) sur l'intrados (22) et sur l'extrados (20) de l'aube, la fréquence des ondes ultrasonores émises par le transducteur (10) est d'environ 15MHz et la colonne d'eau entre le transducteur (10) et la surface de l'aube est approximativement égale à la longueur focale du transducteur (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 20 transducteur (10) a un diamètre de 10mm environ et sa longueur focale est de 50mm. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la dimension de la tâche focale du faisceau d'ondes ultrasonores à -6dB est comprise entre 0,5 et 0,8mm. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport signal/bruit des échos captés par le transducteur (10) est supérieur ou égal à 8. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tolérances sur le positionnement du transducteur (10) dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau sont d'environ +/-0,4 mm à +/- 0, 6 mm. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tolérance sur la perpendicularité de l'axe du faisceau par rapport à la surface à balayer est de +1-0,30 environ. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de traitement des échos captés par le transducteur (10) comprennent un système d'imagerie du type C-SCAN en amplitude et en temps de vol. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur (10) est porté par un bras robot articulé (12). 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est préalablement calibré sur une aube (14) comportant des défauts artificiels formés par des trous calibrés à fond plat de différents diamètres, par exemple de 0,2mm, 0,4mm et 0,8mm. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aube à contrôler est une aube en titane du type SPFDB d'une hauteur de 84 pouces (2133,6mm).