Brevet FR2971589A1 — publié le 20120817

L'invention concerne un dispositif et un procédé de contrôle non destructif par ultrason utilisant un laser. L'invention est plus particulièrement adaptée au contrôle d'une pièce structurale constituée d'un matériau composite à renfort fibreux, ladite pièce comportant notamment des assemblages selon diverses techniques de collage ou de soudage. À titre d'exemple, non limitatif, le dispositif et le procédé selon l'invention permettent de contrôler des pièces comprenant des panneaux composites assemblés en nid-d'abeilles, ou des structures composites recevant des revêtements, tels que des plaques en céramique. Les applications de l'invention sont principalement, mais non exclusivement, adaptées au contrôle de pièces structurales de grandes dimensions dans le domaine aéronautique ou aérospatial. Il est connu de l'art antérieur d'utiliser des techniques de contrôle non destructif basées sur l'analyse de la propagation d'ondes ultrasonores dans un milieu constituant une pièce. Les dispositifs de contrôle de ce type comportent des moyens générateurs d'une onde ultrasonore, couplés acoustiquement à la pièce, pour y transmettre une onde mécanique, et des moyens de détection pour mesurer les caractéristiques de propagation de cette onde. La présence de discontinuités dans le milieu de propagation crée des échos ou des atténuations de l'onde, ces discontinuités peuvent ainsi être détectées. Des exemples de discontinuités sont des trous, des délaminages, des variations de densité etc. Le réglage de la sensibilité de détection permet de détecter les discontinuités susceptibles de refléter des défauts nuisibles à la qualité de la pièce ainsi contrôlée. La fréquence de l'onde ultrasonore permet également de discriminer les discontinuités selon leur nature. Dans le cas d'une pièce comportant des assemblages, il existe des discontinuités de fait aux interfaces entre les différents éléments constituant l'assemblage. Ainsi, il est difficile de contrôler au cours de la même opération, la présence de défauts, ou discontinuités, à l'intérieur des éléments assemblés et la cohésion de l'interface d'assemblage lesquels ne sont pas révélés par les mêmes fréquences d'onde. Ainsi les défauts de cohésion aux interfaces influencent les propagations des grandes longueurs d'onde, c'est-à-dire des basses fréquences, dans la gamme du kilohertz (103 hertz ou kHz) alors que les défauts intrinsèques des pièces influencent plutôt les propagations des courtes longueurs d'onde, c'est- à-dire des hautes fréquences de l'ordre du mégahertz (106 Hertz ou MHz). Il y a corrélation entre la dimension moyenne des défauts détectés et la longueur d'onde du signal acoustique qui permet leur détection. Il est également connu de l'art antérieur d'utiliser pour la génération de l'onde ultrasonore une impulsion photo-élastique à la surface de la pièce au moyen d'un faisceau laser, dit d'excitation. La figure 1, relative à l'art antérieur, illustre schématiquement ce principe. Le contrôle ultrasonore d'une pièce par ce procédé consiste à produire une perturbation localisée (112) à la surface (101) d'une pièce (100) par effet photo-élastique exposant une petite surface de la pièce à l'énergie délivrée sous forme impulsionnelle par un faisceau laser (110) d'excitation produit par une source (100) adaptée, par exemple un laser de type TEA CO2. Cette perturbation de la surface (101) produit une onde mécanique (113) qui se propage de manière élastique dans la pièce, à la vitesse du son dans le milieu constituant ladite pièce. L'excitation impulsionnelle de la surface crée une sollicitation de la pièce selon un large spectre de fréquences. Un second faisceau laser, dit de détection, éclaire la surface dans une zone cible, généralement proche ou confondue avec la zone d'excitation, selon une durée d'impulsion donnée. Le faisceau est réfléchi par la surface et modifié par les vibrations de celle-ci lesquelles vibrations peuvent être mesurées par un interféromètre. En présence d'un défaut (130) à l'intérieur de la pièce, une partie de l'onde élastique (113) va se réfléchir sur ce défaut (130), onde réfléchie qui, en se propageant, atteint de nouveau la surface (101) d'émission où elle peut être détectée par le dispositif de mesure (120), de même que ce dispositif de mesure (120) détecte l'écho de fond, correspond à la réflexion de l'onde élastique (113) sur la surface opposée (102) de la pièce (100). L'onde réfléchie sur le défaut (130) rejoint la surface d'émission (101) avant l'écho de fond, de sorte que la mesure d'une perturbation de la surface (101) avant le retour de l'écho de fond atteste de la présence d'une discontinuité, et la mesure du temps séparant la mesure de cette déformation de surface de l'instant de l'impulsion initiale (112) permet de déterminer la profondeur du défaut (130) par rapport à la surface d'émission (101). Les longueurs d'onde acoustique analysées dépendent de l'impulsion du faisceau de détection et de la bande passante de l'interféromètre. Il est également connu de l'art antérieur l'utilisation d'un interféromètre photoréfractif à deux ondes, couramment désigné par interféromètre TWM, comme acronyme de l'expression anglaise « Two Wave Mixing ». Ce type d'interféromètre utilise un cristal photoréfractif lequel cristal est excité, ou pompé, par un faisceau dit de référence. La réflexion du faisceau signal de détection à la surface de la pièce est également dirigée vers le cristal photoréfractif ou les deux faisceaux interfèrent. À cette fin une petite partie de la puissance du faisceau de détection est dérivée pour être utilisée comme pompe pour l'interféromètre TWM. L'utilisation d'une partie du faisceau laser de détection lui-même comme référence permet de disposer d'une référence toujours en accord avec ledit faisceau laser de détection. L'interféromètre TWM présente l'avantage d'avoir une sensibilité sensiblement constante sur une large plage de fréquence, du kHz au MHz. Ainsi, en modulant les caractéristiques, notamment l'intensité, du faisceau signal de référence il est possible de mesurer la réponse de la pièce à l'excitation produite par le faisceau d'excitation pour différentes plages de fréquence et, par suite, de contrôler des pièces assemblées tant sur le plan de leurs défauts intrinsèques, à haute fréquence, que sur le plan de la cohésion des interfaces d'assemblage à fréquence plus basse. Dans la suite nous désignons conventionnellement les défauts tels que des délaminages de fibres pour une pièce constituée d'un matériau composite, dits défauts intrinsèques, car ils se situent à l'intérieur d'une même pièce et sont détectés par l'analyse de fréquence dans le domaine du MHz, selon une technique courante et répandue dans le contrôle non destructif par ultrasons. Nous désignons par cohésion d'interface des défauts qui se produisent notamment à l'interface entre deux milieux ou deux pièces différentes lesquels défauts sont couramment détectés par des contrôles non destructifs à basse fréquence, couramment désignés par le terme anglo-saxon de « Tap Testing ». Ce contrôle non destructif consiste à solliciter la structure par une percussion à l'aide d'un marteau léger, généralement instrumenté, et à en analyser la réponse acoustique, soit à l'oreille, soit par un analyseur de spectre, en comparant la réponse de la structure sollicitée avec celle d'une structure de référence. Cette procédure permet de détecter des défauts de cohésion qui affectent la réponse acoustique de la structure dans son ensemble, c'est-à-dire dans une plage de fréquence de l'ordre du kHz. Selon ce procédé de l'art antérieur, un premier balayage de la pièce est, par exemple, réalisé en utilisant une détection haute fréquence, puis, les caractéristiques du faisceau de détection sont modifiées, de sorte à réaliser une détection basse fréquence, et un nouveau balayage de la pièce est réalisé avec ces nouvelles conditions. L'invention consiste en un dispositif pour le contrôle non destructif d'une pièce, notamment constituée d'un matériau composite à renfort fibreux, lequel dispositif comprend : a. un générateur d'un faisceau laser dit d'excitation et des moyens pour produire une sollicitation photo-élastique de la surface de la pièce, dans une zone d'excitation à l'aide de ce faisceau laser ; b. des moyens pour générer un premier faisceau laser dit de détection apte à éclairer la pièce dans une zone cible ; c. des moyens pour générer un deuxième faisceau laser de détection, dit de référence, et dont une caractéristique peut être réglée indépendamment des caractéristiques du faisceau laser de détection ; d. un détecteur photoréfractif à deux ondes comportant un cristal photoréfractif pompé par le faisceau laser de référence ; e. des moyens pour collecter le faisceau réfléchi par la zone cible du premier laser de détection et le conduire dans le détecteur photoréfractif ; f. des moyens pour modifier au moins une caractéristique du laser de référence de sorte à ajuster la bande passante du détecteur photoréfractif. Ainsi, le dispositif objet de l'invention permet de faire varier les caractéristiques du faisceau laser de référence utilisé comme pompe du détecteur TWM sans modifier les caractéristiques du faisceau de détection, de sorte que la détection à haute fréquence et la détection à basse fréquence peuvent être réalisées l'une après l'autre en un temps très bref au cours de la même mesure. Un seul balayage permet alors de contrôler intégralement la pièce assemblée de sorte que la productivité du dispositif est au moins le double de celle des dispositifs connus de l'art antérieur. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes de réalisation avantageux exposés ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend des moyens pour déplacer le faisceau laser d'excitation et le premier faisceau laser de détection à la surface de la pièce de sorte à réaliser un balayage de la surface de celle-ci. Il est remarquable que le dispositif objet de l'invention ne modifie pas la partie réalisant le balayage de la surface de la pièce de sorte que le dispositif objet de l'invention peut être facilement adapté à un dispositif de contrôle de l'art antérieur en lui adjoignant des moyens pour générer et piloter le faisceau laser de référence de sorte à contrôler le pompage du cristal photoréfractif. Ces moyens sont fixes et ne modifient pas la tête de balayage d'une installation comprenant conventionnellement un laser d'excitation et un laser de détection. Avantageusement, les moyens de modification du faisceau laser de référence agissent sur l'intensité dudit faisceau. Ainsi la modification des conditions de mesure est réalisée de manière simple en pilotant l'amplification du faisceau laser de référence. Avantageusement, les moyens pour générer le faisceau laser de détection et le faisceau laser de référence comprennent une source unique de type laser monolithique à fréquence unique stabilisée de type Nd:YAG pompé par diode. Ce type de source permet de délivrer une fréquence très stabilisée et est ainsi particulièrement bien adapté comme laser maître pour une amplification monofréquence ultérieure, et dans le cas du dispositif objet de l'invention, pour une double amplification. Ce type de source est également adapté pour une utilisation dans un interféromètre de type Fabry-Pérot confocal. Cette caractéristique est mise avantageusement à profit pour générer les deux faisceaux laser, de détection et de référence, à partir de deux amplificateurs distincts de ladite source. Ainsi, en partant d'une source laser unique, le dispositif objet de l'invention permet de générer trois types de faisceaux de détection permettant d'utiliser, selon les circonstances et le type de mesure envisagée, un interféromètre confocal ou l'interféromètre TWM et en modifiant si nécessaire la bande passante de l'interféromètre TWM et le tout de manière automatique. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif objet de l'invention comprend en outre un interféromètre de type Fabry-Pérot confocal. Ce type d'interféromètre ne présente pas une plage aussi large de fréquences de mesure que l'interféromètre TWM, en revanche, il est plus précis et plus sensible que celui-ci et permet notamment de réaliser des mesures relatives à la présence de défauts intrinsèques. L'invention concerne également un procédé de contrôle non destructif pour le contrôle d'une pièce, notamment constituée d'un matériau composite à renfort fibreux, utilisant le dispositif objet de l'invention selon l'un quelconque de ses modes de réalisation exposés ci-avant et comprenant les étapes consistant à : a. produire une excitation photo-élastique de la surface de la pièce à l'aide du laser d'excitation ; b. mesurer la réponse à cette excitation dans la zone cible en pompant l'interféromètre photo réactif avec un signal de référence tel que la mesure soit réalisée avec une première fréquence de coupure basse supérieure à 1 MHz ; c. modifier le faisceau de référence de sorte à réaliser une mesure interférométrique à l'aide de l'interféromètre photoréfractif avec une deuxième fréquence de coupure inférieure à la première fréquence de coupure. Ainsi, la combinaison du dispositif et du procédé objet de l'invention permet de réaliser en un point de mesure différents types de contrôle et d'optimiser la fréquence de coupure pour détecter des défauts particuliers. Avantageusement, la deuxième fréquence de coupure est inférieure ou 25 égale à 10 kHz. Ainsi, il est possible de combiner un contrôle par ultrasons des défauts intrinsèques et un contrôle de la cohésion d'interface en un même point de mesure et ceci de manière automatisée. Avantageusement, les étapes a/ à c/ du procédé objet de l'invention sont répétées pour un deuxième point à la surface de la pièce. Ainsi, outre le fait 30 d'automatiser la mesure, cette coopération entre le dispositif et le procédé permet de résoudre une des principales insuffisances de l'art antérieur concernant le contrôle par la réponse acoustique globale, à savoir que ce mode de contrôle est 20 avant tout considéré comme qualitatif car ne permettant pas de qualifier l'ampleur des défauts de cohésion détectés et leur localisation. La prise de mesure avec une analyse selon de multiples plages de fréquence et en de nombreux points de la pièce, de manière automatisée, ouvre la possibilité, par un traitement informatisé du signal, de dresser une cartographie complète tant des défauts intrinsèques que de la cohésion d'interface. Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé objet de l'invention comprend une étape consistant à mesurer la réponse de la pièce dans la zone cible avec l'interféromètre de type Fabry-Pérot avec une fréquence de coupure basse supérieure ou égale à 1 MHz. L'invention est décrite ci-après selon ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs et en référence aux figures 1 à 5 dans lesquelles : - la figure 1 relative à l'art antérieur représente schématiquement de face et en coupe le principe d'un dispositif de contrôle non destructif par ultrason d'une pièce utilisant une impulsion photo-élastique pour l'excitation à la surface de ladite pièce et un laser de détection pointé sur cette même surface pour en mesurer la réponse ; - la figure 2 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention ; - la figure 3, représente les chronogrammes de fonctionnement du laser de détection et du laser de référence utilisé pour pomper le cristal photoréfractif du détecteur TWM ; - la figure 4 montre un exemple de réalisation en perspective du dispositif objet de l'invention utilisé pour le contrôle d'une structure aéronautique assemblée ; - et la figure 5 représente un organigramme du procédé objet de l'invention. Figure 2, selon un exemple de réalisation, le dispositif de détection objet de l'invention comprend un oscillateur (200) monolithique à fréquence unique ou MISER pour l'acronyme anglo-saxon de « Monolithic Isolated Single-mode End- pumped Ring » connu de l'art antérieur. Typiquement cet oscillateur utilise un cristal Nd:YAG pompé par diode d'une longueur d'onde de 1,064 lm (1,064.10-6 m). Cette source très stable, d'une puissance de l'ordre de 200 mW, est utilisée comme laser maître et est dirigée vers deux amplificateurs laser (210, 220) distincts. Le premier amplificateur est préférentiellement un système par lampe flash dans un barreau Nd:YAG. Il reçoit plus de 95 °/O de la puissance (201) du laser maître et fournit après amplification le laser de détection (211). Ledit laser de détection (211) délivre des impulsions de 30.10-6 à 300.10-6 secondes pour une énergie de l'ordre de 50.10-3.J par impulsion. Ce faisceau laser de détection (211) éclaire la zone cible à la surface de la pièce selon une tache d'un diamètre de l'ordre de 5 mm, il est dirigé vers les moyens de balayage (250) où il suit le faisceau laser d'excitation. La réflexion (212) du laser de détection (211) par la surface de la pièce est collectée et dirigée vers l'interféromètre TWM (230). Le deuxième amplificateur est préférentiellement un amplificateur à fibre pompé par diode laser dans une fibre optique dopée Yb:YAG. Il reçoit moins de 5 °/O de la puissance (202) initiale du laser maître. Le faisceau laser (221) qui en résulte est utilisé comme faisceau laser de référence, dirigé vers l'interféromètre TWM (230). Alternativement la réflexion (213) du laser de détection à la surface de la pièce peut être collectée et dirigée vers un interféromètre de type Fabry-Pérot confocal (240). Figure 3, l'observation de la variation d'intensité (320,320') du faisceau laser de détection (311), figure 3A, et du faisceau laser de référence (321, 322), figure 3B, en fonction du temps (310), montre le pilotage synchronisé des deux lasers au cours d'une impulsion du laser maître. Au cours d'une telle impulsion, le laser de détection éclaire la pièce dans la zone cible selon une intensité (320) sensiblement constante, ainsi la quantité de lumière réfléchie par la surface est toujours suffisante pour assurer la mesure. En revanche, l'intensité du laser de référence, utilisé comme pompe du cristal photoréfractif du détecteur TWM, est pilotée et, par exemple, utilisée à son intensité maximale (321) durant la première partie de l'impulsion du laser de détection puis à une intensité plus faible (322) durant une autre portion de l'impulsion (311) du laser de détection. Ainsi, durant ladite première partie (321), l'interféromètre TWM présentera une fréquence de coupure basse élevée, de l'ordre du MHz et sera utilisé pour la révélation des défauts intrinsèques de la pièce contrôlée, puis, au cours de ladite seconde portion (322) la fréquence de coupure basse de l'interféromètre est réduite, dans la gamme du kHz, et permet ainsi de révéler les défauts de cohésion de la l'assemblage contrôlé selon une méthode s'apparentant au tap testing. Durant toute cette impulsion (311), l'intensité d'éclairement de la zone cible est constante. Figure 4, selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l'invention est adapté au contrôle non destructif selon les deux méthodes simultanées de pièces de grande dimension notamment de pièces constituant la structure d'un aéronef (401). Selon cet exemple de réalisation, un porte-effecteur (460) reçoit une première tête laser (410) de type TEA CO2, dite d'excitation, pour générer une impulsion photo-élastique à la surface de la pièce (401) objet du contrôle. Le laser CO2 est produit par un générateur (400) et convoyé jusqu'à la tête (410) par des moyens (480) connus de l'art antérieur. Le porte-effecteur (460) supporte également la tête laser (411), dite de détection, pour la mesure en interférométrie des déformations de la surface. Le porte-effecteur (460) est supporté par un bras (450) robotisé qui permet de réaliser le balayage de la surface à contrôler. Un dispositif informatique (470) permet de piloter le déplacement du bras robotisé, de piloter l'amplificateur du laser de référence, et de réaliser le traitement et l'acquisition des mesures. Le pilotage du bras robotisé est réalisé à partir d'un fichier de description numérique de la surface de la pièce contrôlée (401) couramment à partir de la maquette numérique de ladite pièce. Figure 5, selon un mode de réalisation du procédé objet de l'invention, celui-ci comprend une première étape (510) consistant à produire une excitation photo-élastique de la surface de la pièce à contrôler à l'aide du laser d'excitation. La réponse de la pièce à cette excitation est mesurée à l'aide du laser de détection. Selon une première étape de mesure (520) le laser de référence est réglé (521) sur un premier niveau d'intensité de sorte à réaliser une mesure (511) interférométrique avec une bande passante présentant une fréquence de coupure basse de l'ordre du MHz. Selon une deuxième étape de mesure (530) le laser de référence est réglé (522) sur un deuxième niveau d'intensité, inférieur au premier dans cet exemple de réalisation, de sorte réaliser une deuxième mesure (512) interférométrique avec une bande passante présentant une fréquence de coupure basse inférieure à la première. Les faisceaux lasers sont alors déplacés (550) en un autre point de mesure et le cycle d'excitation-mesure (510 à 530) est à nouveau répété. La description ci-avant montre clairement que l'invention atteint les objectifs visés, en particulier elle permet de réaliser de manière automatique une cartographie complète d'une pièce assemblée combinant des mesures par ultrasons relatives à la santé matière, ou défauts intrinsèques, et à la cohésion des interfaces d'assemblage, selon une méthode similaire dans son principe au tap testing mais qui apporte à ce procédé de contrôle la capacité de localisation et de cartographie des défauts de cohésion. REVENDICATIONS1. Dispositif pour le contrôle non destructif d'une pièce, notamment constituée d'un matériau composite à renfort fibreux, caractérisé en ce qu'il comprend : a. un générateur (400) d'un faisceau laser dit d'excitation et des moyens (410) pour produire une sollicitation photo-élastique de la surface de la pièce (401), dans une zone d'excitation à l'aide de ce faisceau laser ; b. des moyens (200, 210) pour générer un premier faisceau laser (211) dit de détection apte à éclairer la pièce (401) dans une zone cible ; c. des moyens (200, 220) pour générer un deuxième faisceau laser de détection, dit de référence (221), et dont une caractéristique peut être réglée indépendamment des caractéristiques du faisceau laser de détection (211) ; d. un détecteur photoréfractif à deux ondes (230) comportant un cristal photoréfractif pompé par le faisceau laser de référence (221) ; e. des moyens pour collecter le faisceau réfléchi par la zone cible du premier laser de détection et le conduire dans le détecteur photoréfractif (230) ; f. des moyens pour modifier au moins une caractéristique du laser de référence (221) de sorte à ajuster la bande passante du détecteur photoréfractif (230). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de balayage (250, 450) pour déplacer le faisceau laser d'excitation et le premier faisceau laser de détection (211) à la surface de la pièce (401) de sorte à réaliser un balayage de la surface de celle-ci. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de modification du faisceau laser de référence agissent sur l'intensité dudit faisceau. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour générer le faisceau laser de détection et le faisceau laser de référence comprennent une source (200) constituée un oscillateur monolithique à fréquence unique stabilisée de type Nd:YAG pompé par diode. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de génération comprennent deux lasers amplificateurs (210, 220) distincts pour générer, à partir de la source (200), le faisceau laser de détection (211) et le faisceau laser de référence (221). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un interféromètre de type Fabry-Pérot confocal (230). 7. Procédé pour le contrôle d'une pièce, notamment constituée d'un matériau composite à renfort fibreux, utilisant un dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a. produire (510) une excitation photo-élastique de la surface de la pièce à l'aide du laser d'excitation ; b. mesurer (520) la réponse à cette excitation dans la zone cible en pompant l'interféromètre photo réactif avec un signal de référence tel que la mesure soit réaliser avec une première fréquence de coupure basse supérieure à 1 MHz ; c. modifier (521) le faisceau de référence de sorte à réaliser une mesure interférométrique (530) à l'aide de l'interféromètre photoréfractif avec une deuxième fréquence de coupure inférieure à la première fréquence de coupure. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième fréquence de coupure est inférieure ou égale à 10 kHz. 9. Procédé selon la revendication 7, utilisant un dispositif selon larevendication 2, caractérisé en ce les étapes a/ à c/ sont répétées pour un deuxième point à la surface de la pièce. 10. Procédé selon la revendication 7, utilisant un dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à mesurer la réponse de la pièce dans la zone cible avec l'interféromètre de type Fabry-Pérot (230) avec une fréquence de coupure basse supérieure ou égale à 1 MHz.