Brevet FR2970890A1 — publié le 20120803

L'invention concerne un dispositif et un procédé pour le décapage et le contrôle simultané d'une pièce. Elle appartient au domaine des contrôles non destructifs et elle est particulièrement adaptée pour le traitement de surface et le contrôle de la santé matière de pièces de grandes dimensions constituées d'un matériau composite. Le contrôle de la santé matière de pièces de grandes dimensions est une opération particulièrement longue et indispensable pour des pièces dont la tenue en service est critique, particulièrement dans le domaine aéronautique. Parmi les méthodes de contrôle non destructif particulièrement adaptées à la détection de défauts susceptibles d'évoluer de manière catastrophique en service, le contrôle par ultrasons consiste à émettre une excitation en surface de sorte à générer une onde mécanique qui se propage dans le volume de la pièce. Une discontinuité présente dans ladite pièce, telle qu'une crique, ou un délaminage lorsqu'il s'agit d'une pièce constituée d'un matériau composite stratifié, modifie les conditions de propagation de cette onde en créant un écho et/ou une atténuation ou une diffraction remarquables de celle-ci. Ces phénomènes qui peuvent être détectés depuis la surface de la pièce par la mesure des caractéristiques de l'onde transmise ou réfléchie, permettant ainsi la détection des défauts à l'origine de cette discontinuité. Le contrôle d'une pièce par ultrasons nécessite le balayage de celle- ci par une source d'émission, apte à générer l'excitation mécanique de la surface, et par un capteur apte à mesurer la réponse de la pièce. C'est ce balayage qui consomme du temps. L'invention vise à résoudre les inconvénients de l'art antérieur en 25 proposant un procédé de décapage d'une surface d'une pièce comprenant les étapes consistant à a. exciter la surface de sorte à produire une perturbation apte à décoller les particules adhérentes à ladite surface et une onde acoustique apte à se propager dans la pièce ; 30 b. mesurer la réponse acoustique de la pièce de sorte à détecter des discontinuités aptes à influencer la propagation de l'onde dans l'épaisseur de la pièce. Ainsi, le procédé objet de l'invention combine les opérations de décapage, aussi qualifiées de dérochage, de la pièce et utilise avantageusement l'onde générée au cours de cette phase pour effectuer un contrôle par ultrasons de ladite pièce. Le procédé de contrôle intervient en temps masqué par rapport au procédé de dérochage/décapage, opération généralement préalable à la peinture de la pièce. De plus, le procédé permet d'utiliser une puissance d'excitation plus élevée et permet ainsi une meilleure détection des défauts notamment dans le cas de pièces épaisses. L'invention peut être mise en oeuvre selon les modes avantageux, 10 décrits ci-après, lesquels peuvent être considérés individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'excitation de la surface est produite par une impulsion d'énergie thermoélastique au moyen d'un laser. Ainsi, le procédé peut être réalisé à sec, 15 sans utiliser de couplant entre la source d'excitation et la surface. Avantageusement, la mesure de la réponse acoustique est réalisée par interférométrie laser ce qui permet d'effectuer ladite mesure sans contact et sans couplant. Cette configuration est particulièrement avantageuse lorsque la mesure de la réponse est effectuée sur la même sur face que l'excitation. La 20 mesure sans contact et sans couplant étant beaucoup moins perturbée par les effets du décapage. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents, lequel dispositif comprend : a. une tête laser d'excitation apte à produire une excitation impulsionnelle à la surface d'une pièce selon un spectre d'énergie adapté au décollement des particules adhérentes à cette surface ; b. une tête laser de détection liée à la tête laser d'excitation et apte à mesurer la réponse de la pièce à une impulsion produite par la tête d'excitation. Un tel dispositif est apte à combiner une opération de décapage 25 30 surfacique, grâce à une source d'excitation de puissance adéquate et à réaliser le contrôle de la santé matière de la pièce décapée en mesurant la réponse à l'excitation produite par la première source à l'aide de l'interféromètre. Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend des moyens pour effectuer un déplacement relatif contrôlé des têtes laser par rapport à la pièce. Ainsi, le balayage de la surface de la pièce, tant à des fins de contrôle que de décapage/dérochage, peut être réalisé de manière automatique. Avantageusement, le laser de la tête d'excitation est apte à produire une impulsion d'une durée de 100ns (100. 10-9 s) pour une densité d'énergie de 2,5 J.cm-2. Ces conditions sont optimales pour combiner le contrôle par ultrasons et le décapage/dérochage dans la même opération, plus particulièrement lorsque la pièce est constituée d'un matériau composite. Avantageusement la source laser de la tête d'excitation est de type TEA CO2. TEA est l'acronyme des termes « Transverse/y Excited Atmospheric ». Typiquement il s'agit d'un laser obtenu par l'excitation de dioxyde de carbone à la pression atmosphérique. Ce principe de génération d'un faisceau laser est connu de l'art antérieur. Pour l'application objet de l'invention, ce laser est particulièrement adapté à la production d'une excitation impulsionnelle de caractéristiques contrôlées, tant pour le contrôle non destructif que pour le décapage/dérochage. Avantageusement, le dispositif objet de l'invention comprend des moyens d'acquisition et de mémoire et des moyens d'affichage aptes à réaliser une cartographie de la réponse acoustique de la pièce. Ainsi l'inspection de la pièce peut être facilement réalisée par un opérateur non spécialiste du contrôle par ultrasons. L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de ses modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, et des figures 1 à 4, dans lesquelles : la figure 1, relative à l'art antérieur, représente une vue de face et en coupe du principe de contrôle d'une pièce par la propagation d'ondes ultrasonores générées par une excitation thermoélastique de la surface d'une pièce au moyen d'un laser ; - la figure 2 montre, selon la même vue que la figure 1, le principe d'une opération de décapage/dérochage par une excitation thermoélastique de la surface d'une pièce au moyen d'un laser combiné à un contrôle non destructif de la dite pièce par propagation d'une onde ultrasonore ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention pour le décapage/dérochage et le contrôle non destructif simultanés d'une pièce de grandes dimensions ; - et la figure 4 est un logigramme d'un mode de réalisation du procédé objet de l'invention. Figure 1, selon un exemple de réalisation, connu de l'art antérieur, le contrôle ultrasonore d'une pièce par laser consiste à produire une excitation localisée (112) à la surface (101) d'une pièce (100) par effet thermoélastique exposant une petite surface de la pièce à l'énergie délivrée sous forme impulsionnelle par un rayon laser (111) produit par une source (110) adaptée. Cette perturbation thermoélastique 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. Elle produit une déformation (122) de la surface opposée (102) de la pièce lorsqu'elle atteint ladite surface (102) sur laquelle l'onde (113) se réfléchie pour se propager en sens inverse. Cette déformation de la surface (102) peut être mesurée par un autre dispositif laser (120), pointant un rayon laser (121) de mesure vers ladite surface. Le principe de mesure est connu de l'art antérieur et n'est pas plus décrit, il s'agit d'une mesure en interférométrie, qui détecte la vitesse de déformation de la surface (102) par effet Doppler. Selon un exemple d'application simple, la mesure du temps séparant la génération de l'impulsion engendrant la première perturbation thermoélastique (112) et sa détection par la déformation (112) de la surface opposée, permet, connaissant la vitesse de propagation des ondes élastiques dans cette pièce, d'en mesurer l'épaisseur. Ce principe peut être avantageusement utilisé pour effectuer un contrôle non destructif de la pièce (100) dans son épaisseur. Ainsi, en plaçant le laser de détection (120') non plus sur la surface (102) libre opposée à la surface (101) recevant la perturbation thermoélastique impulsionnelle initiale (112) mais du même côté que celle-ci, alors, en présence d'un défaut (130) à l'intérieur de la pièce (100), 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). Le dérochage est une opération consistant à décaper la surface d'une pièce de sorte à en éliminer les couches de surface, lesquelles peuvent être des couches oxydées, des couches faiblement cohésives ou des souillures. Cette opération est indispensable avant toute opération de protection ou de revêtement de la surface pour assurer la cohésion dudit revêtement de la surface. Selon l'art antérieur ces opérations de dérochages sont réalisées par voie chimique ou par voie mécanique. Le dérochage mécanique consiste à projeter sur la surface un moyen qui par son énergie cinétique va produire l'ablation d'une couche plus ou moins importante de la surface. Ledit moyen projeté peut se présenter sous formes de particules solides plus ou moins dures et/ou abrasives telles que du sable, des billes de verre ou de matière plastiques, de la glace ou de la matière ligneuse broyée. Un jet d'eau chargé ou non en abrasif peut également être utilisé à cette fin. Figure 2, selon un exemple de réalisation de l'invention, l'opération de décapage/dérochage consiste à utiliser une source d'excitation mécanique ultrasonore localisée pour produire le dérochage. Selon cet exemple, non limitatif, la source d'excitation ultrasonore est un rayon laser (211) produisant, par effet thermoélastique, une perturbation (212) localisée de la surface (201) de la pièce. D'autres sources d'excitation ultrasonore localisées peuvent être utilisées. L'utilisation des ultrasons pour le décapage/dérochage est connue de l'art antérieur. Selon l'art antérieur, cette technique est réservée aux pièces de dimensions modestes, car elle consiste à placer lesdites pièces dans un bac contenant un fluide et à soumettre ledit bac à une excitation ultrasonore énergique. Dans l'exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention représenté figure 2, l'excitation ultrasonore est localisée, ce qui permet notamment de réaliser celle-ci par un laser (211). La perturbation thermoélastique localisée (212) résultant de cette excitation de la surface (201) de la pièce (100), décolle une couche de surface (230) plus ou moins profonde, par effet mécanique, c'est-à-dire par la différence de déformation entre la zone sollicitée et le reste de la pièce (100), et/ou par effet thermique si la température de la surface exposée au laser (212) dépasse la température de vaporisation de ladite couche. La couche de surface ainsi affectée est pulvérisée sous forme de débris (231). Pour dérocher toute la surface (201) de la pièce, la source d'excitation (211) doit être déplacée afin de balayer la surface, ce qui est défavorable en conditions industrielles pour la productivité. Le dispositif objet de l'invention résout cet inconvénient, en combinant cette opération de dérochage/décapage avec une opération de contrôle non destructif de la pièce (100). Ainsi, l'excitation localisée (212) de la surface de la pièce par une source ultrasonore en vue de son décapage/dérochage est mise à profit en y adjoignant un dispositif de mesure (220) pour mesurer les effets de réflexion de l'onde ultrasonore (213), générée lors de chaque impulsion, et ainsi contrôler la pièce par la possibilité de détection de la présence de défauts dans l'épaisseur de celle-ci lors de chaque tir. Ainsi, l'opération de décapage/dérochage est réalisée en temps masqué au cours du contrôle non destructif de la pièce et n'a pas de conséquence sur le temps de cycle global de fabrication de la pièce. Le dispositif objet de l'invention, est également particulièrement avantageux pour le contrôle de pièces épaisses, particulièrement dans le cas où celles-ci sont constituées d'un matériau composite à renfort fibreux. Selon l'art antérieur, l'utilisation des ultrasons générés par laser dans ce cas était limitée par le risque de dégradation de la surface de la pièce ainsi contrôlée, car nécessitant une énergie d'excitation élevée. Le dispositif objet de l'invention, par le choix judicieux des paramètres d'excitation permet de disposer d'une puissance d'excitation suffisante pour le contrôle de pièces épaisses, laquelle excitation produit une « dégradation » contrôlée et désirée de la surface sous la forme d'un décapage/dérochage. Le terme « dégradation » est ici mis entre guillemets pour différencier l'effet technique de l'invention, c'est-à-dire le dérochage, qui est produit volontairement dans un but de conférer une valeur ajoutée à la pièce (100) objet du contrôle, de l'effet involontaire et indésirable produit accidentellement selon l'art antérieur, lors d'un contrôle non destructif utilisant une forte puissance de sollicitation, effet qui se traduit par un coût de non-qualité affectant la pièce qui le subit. Selon un exemple d'application particulièrement avantageux, plus particulièrement, mais non limitativement, adapté au contrôle de pièces constituées d'un matériau composite comportant une résine polymère renforcée par des fibres de carbone, le dispositif objet de l'invention utilise un laser de type TEA CO2, avec une longueur d'onde de 10,6 pm. (10,6.10-6 m) pour l'excitation impulsionnelle de la surface (201). Selon cet exemple de réalisation, le dispositif utilise avantageusement une énergie d'impulsion de 6 joules, pour une durée d'impulsion de l'ordre de 100 ns (100.10-9 s), cette énergie étant répartie sur une surface sensiblement rectangulaire de 5x40 mm2, soit une densité d'énergie de l'ordre de 2,5 J. cm-2 .Cette densité d'énergie est environ cinq fois plus importante que celle qui est communément utilisée pour l'excitation impulsionnelle d'une surface en vue d'un contrôle non destructif. Figure 3, selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l'invention est adapté au contrôle non destructif et au dérochage simultané de pièces de grande dimension notamment de pièces constituant la structure d'un aéronef (301). Selon cet exemple de réalisation, un porte effecteur (350) reçoit une première tête laser (310) de type TEA CO2, dite d'excitation, pour le décapage/dérochage et l'excitation impulsionnelle de la surface de la pièce (301) objet de l'opération. Le laser CO2 est produit par un générateur (311) et convoyé jusqu'à la tête (320) par des moyens (360) connus de l'art antérieur. Le porte-effecteur (350) supporte également une seconde tête laser (320), dite de détection, pour la mesure en interférométrie des déformations de la surface. Cette seconde tête laser (320) est de type Nd-YAG ou, selon un mode de réalisation préféré, le laser de détection est un laser à fibre impulsionnel utilisant une longueur d'onde de l'ordre de 1 pm (10-6 m). La détection est avantageusement réalisée par interférométrie Doppler, mesurant la vitesse de vibration en surface, à l'aide d'un interféromètre confocal de type Fabry-Pérot. Le porte-effecteur (350) est supporté par un bras (340) robotisé qui permet de réaliser le balayage de la surface à contrôler. Un dispositif informatique (370) permet de piloter le déplacement du bras robotisé 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 couramment d'une maquette numérique de la pièce (301). Figure 4, selon un exemple de réalisation, le dispositif objet de l'invention permet de mettre en oeuvre un procédé de décapage/dérochage comprenant une première étape (410) consistant à exciter la surface avec une source laser impulsionnelle, distribuant une énergie spécifique de l'ordre de 2,5 J. cm-2 de sorte à pulvériser une couche (230) à la surface de la pièce (100, 301), suivie d'une deuxième étape (420) consistant à mesurer la réponse de la pièce à cette sollicitation locale dans le but de détecter des défauts (130) dans l'épaisseur de matière située sous la surface excitée de la pièce. Lors d'une étape suivante (430) le porte effecteur est déplacé relativement à la surface de la pièce, avant de produire une nouvelle excitation (étape 410) telle que la surface éclairée par le laser d'excitation soit en recouvrement partiel avec la surface précédemment sollicitée. La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle visait. En particulier, elle permet de réaliser en temps masqué le contrôle non destructif de la santé matière de l'intégralité d'une pièce de grandes dimensions lors d'une opération de dérochage/décapage de surface. Par l'utilisation de moyens de déplacement (340) pour réaliser un balayage, le dispositif objet de l'invention est très versatile et permet le dérochage/décapage automatique d'une grande variété de pièces. La réunion des deux procédés, de décapage/dérochage et de contrôle non destructif apporte des synergies L'utilisation d'une énergie d'excitation plus élevée permet d'améliorer le procédé de contrôle non destructif en produisant notamment des conditions plus favorables pour le contrôle de pièces épaisses. La possibilité de combinaison de l'opération de décapage/dérochage avec le contrôle non destructif de la pièce, rendu une telle opération, par balayage de la surface, économiquement rentable. REVENDICATIONS1. Procédé de décapage d'une surface d'une pièce (100, 301) caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a. exciter (410) la surface (201) de sorte à produire une perturbation (112, 212) apte à décoller les particules (231) adhérentes à ladite surface et une onde acoustique (113, 213) apte à se propager dans la pièce ; b. mesurer (420) la réponse acoustique de la pièce de sorte à détecter des discontinuités (130) aptes à influencer la propagation de l'onde (113, 213) dans l'épaisseur de la pièce (100, 301). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitation (112, 212) de la surface est produite par une impulsion d'énergie thermoélastique au moyen d'un laser (211, 211). 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de la réponse acoustique est réalisée par interférométrie laser. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend : a. une tête laser (310, 110) d'excitation apte à produire une excitation impulsionnelle à la surface d'une pièce (100, 300) selon un spectre d'énergie adapté au décollement des particules (231) adhérentes à cette surface ; b. une tête laser (320, 120, 120', 220) de détection liée à la tête laser (310, 110) d'excitation et apte à mesurer la réponse de la pièce à une impulsion (112, 212) produite par la tête d'excitation (310, 110). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (340) pour effectuer un déplacement relatif contrôlé des têtes laser (310, 320) par rapport à la pièce (301). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le laser (111, 211) de la tête d'excitation (110, 310) est apte à produire une impulsiond'une durée de 100ns pour une densité d'énergie de 2,5 J.cm-2. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source laser de la tête d'excitation (110, 310) est de type TEA CO2. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend des 5 moyens (370) d'acquisition et de mémoire et des moyens d'affichage aptes à réaliser une cartographie de la réponse acoustique de la pièce.