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# Techniques avancées par courants de Foucault multi-éléments pour l'inspection de soudures orbitales

Mathieu Bouchard¹*, Olivier Bellavance¹, Louis-Daniel Théroux¹

¹Eddyfi Technologies, Québec, Canada

*Auteur correspondant, E-mail: mbouchard@eddyfi.com

## Résumé

Les récentes avancées en matière de contrôle par courants de Foucault multi-éléments (eddy current array: ECA) ont considérablement élargi la gamme de composants et de structures qui peuvent être inspectés pour la détection de défauts de surface. L'un des grands avantages de cette technologie est sa capacité à s'adapter à divers matériaux et géométries. Passant des pipelines en acier carbone jusqu'aux soudures par friction-malaxage en aluminium, les courants de Foucault multi-éléments sont utilisés comme remplacement de la magnétoscopie et du ressuage dans un large éventail d'applications industrielles pour la détection de fissures et de discontinuités en surface ou proches de la surface. En transmettant et en recevant des signaux les uns avec les autres, les capteurs ECA permettent des performances de détection inégalées par les sondes traditionnelles à un seul élément. L'ECA est également beaucoup plus rapide, moins dépendant de l'opérateur et plus facile à automatiser.

Un avantage moins connu des courants de Foucault est leur capacité à pénétrer les surfaces non ferromagnétiques et à être sensibles aux défauts sous la surface qui sont autrement invisibles par inspection visuelle. En contrôlant la taille et l'impédance des capteurs, la fréquence des courants et le modèle de multiplexage, il devient possible d'inspecter les deux côtés d'une paroi conductrice mince au cours d'une seule inspection. Cela s'avère particulièrement utile pour l'évaluation des tubes à parois minces contenant divers fluides, qui ne sont souvent accessibles que de l'extérieur.

Cet article traite de l'inspection des tubes à paroi mince utilisés comme conduites d'alimentation et conduites hydrauliques dans les avions et les engins spatiaux. Ces conduites de petit diamètre sont souvent situées dans des zones à accès limité, où elles sont assemblées par soudage orbital automatisé. Même avec un processus de soudage hautement contrôlé, de petites fissures et porosités peuvent être présentes dans le joint et finir par se propager, entraînant des fuites de carburant et la potentielle défaillance des systèmes de propulsion. Un système ECA a été mis au point pour l'inspection circonférentielle rapide de ces soudures orbitales, ce qui permet de détecter les

défauts en quelques secondes seulement. Cette solution représente un gain de temps considérable comme remplacement de la radiographie et du ressuage, qui sont actuellement les méthodes de choix pour cette inspection.

## 1. Introduction

Les progrès continus et révolutionnaires de l'industrie spatiale exercent une pression de plus en plus forte sur les fabricants d'équipements d'essais non destructifs (END) pour qu'ils résolvent de manière proactive les nouveaux défis en matière d'inspection. Que ces défis soient liés à l'utilisation de nouveaux matériaux, de nouvelles techniques de fabrication ou simplement à un volume croissant de pièces à inspecter, ils exigent que les technologies d'essais non destructifs restent très flexibles et ouvertes à l'innovation.

Les soudures orbitales des lignes d'alimentation sont de bons exemples de composants d'engins spatiaux qui peuvent bénéficier considérablement de nouvelles méthodes de contrôle non destructif. L'intégrité de ces soudures est essentielle puisqu'elles garantissent l'étanchéité des conduites et leur capacité à résister aux températures et aux pressions extrêmes des vols spatiaux. Une fuite, même minime, peut entraîner des problèmes importants, allant de la réduction des performances du moteur à la défaillance complète d'un engin spatial. Actuellement, le ressuage et la radiographie sont deux des méthodes les plus répandues pour effectuer cette inspection non destructive, tant pour les soudures nouvellement fabriquées que pour les soudures en service [1-2]. Cependant, avec des centaines de soudures orbitales dans un engin spatial, leur inspection devient intensive en termes de temps et de ressources. La radiographie peut également être difficile à déployer en raison des exigences de la zone de sécurité et de l'espace limité autour des tubes.

En raison des parois minces de ces tubes, l'ECA est une technique de choix pour remplacer à la fois le ressuage et la radiographie par une méthode d'inspection unique. L'ECA consiste en une sonde ou un capteur contenant plusieurs bobines placées en contact étroit avec la surface conductrice à inspecter. Les bobines induisent des courants
de Foucault (courants électriques localisés) dans la paroi du tube et mesurent ensuite les variations du champ magnétique causées par la présence de défauts tels que des fissures, des porosités ou des piqûres de corrosion. Lorsque la sonde se déplace le long d'un composant, elle crée un C-scan, qui est une représentation 2D de la surface inspectée mettant généralement en évidence les indications de défauts avec des couleurs contrastées (figure 2). Du multiplexage est utilisé pour éviter les interférences entre bobines voisines.

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Figure 1: Exemple de soudure orbitale dans un tube de 13 mm. Ici, la soudure est très lisse et dépasse de moins de 1 mm. Les géométries des soudures peuvent varier considérablement dans l'industrie aérospatiale, en fonction du procédé de soudage utilisé.

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

Figure 2: Représentation simplifiée d'une sonde ECA pour l'inspection de surface. Huit bobines sont déplacées le long de la surface tout en produisant un C-scan en temps réel. Le C-scan est composé de huit lignes horizontales, chacune étant une représentation visuelle de la mesure du champ magnétique par chaque bobine individuelle. Ici, une fissure de surface est détectée, représentée par une indication rouge dans le C-scan. Les sondes ECA modernes peuvent être composées de centaines de bobines, ce qui permet une couverture étendue et un contrôle rapide de grandes surfaces.

Pour l'inspection des soudures orbitales, la capacité des courants de Foucault à pénétrer le matériau non ferreux rend possible la détection de fissures et de porosités externes, internes et en milieu de paroi en un seul balayage, ce qui réduit d'un ordre de grandeur le temps consacré à l'inspection de ces soudures.

Cet article présente le processus de conception qui a été suivi pour développer une sonde ECA compacte pour l'inspection de soudures orbitales de différents diamètres. La discussion porte sur les paramètres de la sonde qui ont été ajustés pour optimiser la réponse des courants de Foucault et le rapport signal sur bruit (S/B). Les résultats de l'ECA obtenus avec un prototype de sonde sont également présentés pour différents types de défauts de soudure.

## 2. Développement de la sonde ECA

Le développement de la sonde présenté dans cet article est basé sur de multiples cas d'application impliquant l'inspection de soudures orbitales présentant les caractéristiques suivantes:

- Matériau: titane, acier inoxydable ou Inconel

- Diamètre: entre 6 mm et 50 mm

- Épaisseur de la paroi: entre 0.5 mm et 2.0 mm

- État de surface de la soudure: la soudure peut être soit automatisée avec une géométrie lisse et rectifiée, soit manuelle avec une géométrie irrégulière.

- Accès: l'inspection doit se faire depuis l'extérieur des tubes.

- Type de défaut: fissures et groupes de porosités

- Localisation des défauts: interne, externe, milieu de paroi

- Profondeur minimale du défaut: 40% de l'épaisseur de la paroi

- Longueur minimale des défauts: 2 mm

La conception d'un système ECA implique le contrôle de dizaines de paramètres interdépendants. Parmi ceux-ci, les cinq suivants sont au cœur du développement de toute sonde ECA.

### 2.1. L'axe de balayage

Deux options sont possibles pour les soudures orbitales:

- Balayage axial: bobines couvrant toute la circonférence du tube et se déplaçant le long du tube, traversant la soudure pendant le balayage.

- Balayage circonférentiel: utilisation d'une moins grande quantité de bobines, placées perpendiculairement à l'axe du tube et directement sur la soudure, et effectuant une rotation complète autour du tube pour couvrir toute la surface de la soudure.

### 2.2. La topologie

En ECA, une topologie est définie comme la disposition géométrique des bobines émettrices et réceptrices formant les canaux de courants de Foucault. Pour le contrôle des soudures orbitales, une topologie "émission-réception" est préférable car elle offre une meilleure pénétration dans le matériau, une meilleure tolérance à l'entrefer et au bruit de surface, et un plus grand déphasage des indications de défauts.

En transmission-réception, une bobine induit des courants de Foucault dans la surface à inspecter et une seconde bobine mesure le champ magnétique résultant afin de détecter les défauts potentiels. Une ligne droite tracée entre l'émetteur et le récepteur représente l'orientation des défauts pouvant être détectés et l'étendue de la zone de sensibilité (figure 3). La distance *d* entre un émetteur et un
récepteur de taille *c* aura un impact majeur sur la qualité des résultats. Une topologie avec $d \approx c$ est appelée "émission-réception courte" et est idéale pour la détection de petits défauts de surface. Une topologie avec $d \approx 2c$ est appelée "émission-réception longue" et offre une pénétration supplémentaire pour la détection des défauts sous la surface. Les deux options, courte et longue, doivent être testées pour valider celle qui fournit les meilleurs résultats pour l'inspection des soudures orbitales.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3: Topologie d'émission-réception avec deux bobines de taille *c* séparées par une distance *d*.</figcaption></figure>

## 2.3. La taille des bobines

L'utilisation de bobines plus petites augmente la résolution d'une sonde ECA et permet de détecter des défauts plus petits. Cependant, les bobines plus petites seront plus sensibles au bruit d'entrefer. Elles limiteront également la profondeur de pénétration des courants de Foucault dans le matériau, ce qui est très important pour la détection des défauts sur la surface intérieure des soudures orbitales. En règle générale, les courants de Foucault peuvent pénétrer jusqu'à une profondeur égale à la taille de la bobine qui les génère. Cette profondeur varie en fonction de la fréquence électrique et du matériau inspecté, mais elle peut servir de point de départ pour la conception d'une sonde ECA. Comme les exigences actuelles concernent des épaisseurs de paroi allant jusqu'à 2 mm, on s'attend à ce que la taille optimale de la bobine soit autour de 2 mm.

## 2.4. La fréquence

Dans la plupart des systèmes de contrôle par courants de Foucault, la fréquence électrique a également un effet direct sur la profondeur de pénétration. Une fréquence plus basse permet aux courants de pénétrer plus profondément et de détecter des défauts sur la paroi interne de la soudure, à l'intérieur du tube. À l'inverse, une augmentation de la fréquence concentre la majeure partie de l'énergie électromagnétique sur le côté le plus proche de la soudure et offre une meilleure séparation de phase pour la détection des défauts. Cela demeure vrai tant que les bobines restent en-dehors de leur plage de fréquence de résonance. Malgré les efforts récents pour exploiter ce phénomène de résonance, l'utilisation d'une sonde ECA à proximité de sa fréquence de résonance est généralement associée à des résultats instables qui peuvent diminuer la qualité des données si elle n'est pas bien contrôlée [3].

Par conséquent, pour l'inspection de soudures orbitales, la fréquence doit être optimisée pour permettre la détection

des défauts internes et rester à l'écart des effets de résonance.

## 2.5. La mécanique de la sonde

Un autre aspect important à considérer pour l'inspection des soudures orbitales est l'espace limité. Les tubes peuvent être proches les uns des autres, avoir une courbure irrégulière ou même être soudés près d'un coude, ce qui affecte la manœuvrabilité d'une sonde ECA à proximité des soudures. Il est important d'en tenir compte dans la conception puisqu'il peut être nécessaire de miniaturiser le corps de la sonde. D'autres aspects tels que le besoin de codage des données et la stabilité mécanique doivent également être pris en compte.

Certaines connaissances préalablement acquises dans le cadre d'inspections de composants nucléaires par ECA peuvent servir de point de départ pour affiner ces cinq paramètres. En particulier, les gaines contenant les pastilles de combustible nucléaire présentent plusieurs similitudes avec les tubes assemblés par soudures orbitales [4-6]. Ces gaines sont généralement faites d'alliage de zirconium et utilisées dans les réacteurs nucléaires pour fournir le combustible nécessaire à la fission. Leur diamètre, typiquement compris entre 6 et 12 mm, et leurs fines parois non ferromagnétiques présentent une grande similitude avec les lignes d'alimentation des engins spatiaux en ce qui concerne la réponse électromagnétique attendue des courants de Foucault. L'ECA a été utilisé avec succès dans le passé pour la détection de défauts submillimétriques dans ces gaines, en utilisant les paramètres d'inspection suivants:

- Axe de balayage: axial

- Topologie: transmission-réception courte

- Taille des bobines: 2 mm

- Fréquence: 500 à 1200 kHz

- Concept de sonde: rangées de bobines encerclant toute la circonférence

Pour affiner les paramètres de la sonde spécifiquement pour l'inspection des soudures orbitales, une série d'échantillons de tubes avec des soudures orbitales a été utilisée. Le diamètre de ces tubes était compris entre 0.25 et 1.0 pouce (6 et 25 mm), et les épaisseurs de paroi entre 0.5 et 2 mm. Chaque échantillon contenait une soudure orbitale avec des défauts artificiels externes et internes ayant la longueur et la profondeur cibles minimales, respectivement 2 mm et 40%.

# 3. Résultats

## 3.1. Axe de balayage

La présence de soudures orbitales est le principal facteur de différenciation entre l'inspection des gaines contenant le combustible nucléaire et celle des lignes d'alimentation des engins spatiaux. Les barres de combustible nucléaire sont
constituées d'un seul tube uniforme sans soudure circonférentielle, ce qui rend les balayages axiaux avantageux en raison de l'uniformité et de la planéité de la surface. En revanche, la présence d'une soudure orbitale induit un bruit supplémentaire lors des balayages axiaux lorsque la sonde ECA traverse le cordon de soudure.

Pour valider l'effet de l'axe de balayage sur la qualité des données, une sonde mono-élément a d'abord été utilisée pour balayer un même défaut de soudure externe dans les deux axes. Cet échantillon a été assemblé à l'aide d'un processus de soudage automatisé, ce qui rend le cordon de soudure très lisse et uniforme. Les résultats de la figure 4 confirment que le bruit augmente lorsque le tube est balayé axialement (S/B = 10 dB) plutôt que dans le sens circonférentiel (S/B = 18 dB) en raison de la transition de la soudure de chaque côté de l'indication du défaut. Bien que ce niveau de bruit puisse sembler sans conséquence sur la détectabilité de ce défaut artificiel, il peut réduire de manière significative la probabilité de détection de véritables défauts peu profonds, en particulier dans les soudures faites à la main et présentant une géométrie irrégulière. L'optimisation du rapport signal/bruit devrait toujours être une priorité lors de la mise au point de nouveaux instruments d'ECA. Les balayages circonférentiels sont donc préférables.

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

Figure 4: Signal de courant de Foucault obtenu par balayage d'une soudure orbitale avec un défaut externe dans la direction axiale du tube (en haut) et dans la direction circonférentielle autour du tube (en bas). En évitant la transition de chaque côté de la soudure, la direction de balayage circonférentielle offre un meilleur rapport signal/bruit.

## 3.2. Topologie

Il est attendu que la topologie d'émission-réception longue donne de meilleurs résultats pour l'inspection des soudures orbitales, car elle permet aux courants de Foucault de pénétrer plus profondément dans la paroi et d'améliorer la détection des défauts sous la surface. Toutefois, en raison du faible diamètre de certaines soudures orbitales, la distance accrue entre les bobines dans les canaux circonférentiels de la topologie longue entraîne une forte différence d'angle entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice (figure 5), ce qui peut altérer le champ magnétique et fausser les mesures. Cet effet est négligeable lors de l'inspection de surfaces planes ou de tubes de grand diamètre, mais dans une soudure orbitale

de 6 mm de diamètre, la bobine émettrice devient presque perpendiculaire à la bobine réceptrice.

<figure><img src="image_6.png" /></figure>

Figure 5: Angle du canal de la topologie d'émission-réception longue causé par l'augmentation de la distance entre les bobines de l'émetteur et du récepteur pour (A) des soudures de 25 mm et (B) des soudures de 6 mm de diamètre. Le graphique (C) montre cet angle en fonction de la taille de soudure.

L'effet de cette grande différence d'angle est bien représenté dans la figure 6 ci-dessous, qui montre la détection de défauts internes de soudure avec une sonde mono-élément. Tandis que la topologie longue est préférable pour les tubes de grande taille (>10 mm) avec des soudures orbitales plus épaisses (>1 mm) en raison de la meilleure profondeur de pénétration, elle crée des signaux déformés dans les tubes de très petite taille. En effet, pour le cas spécifique de la soudure orbitale de 6 mm, la topologie courte est préférable et conduit à un rapport S/B plus élevé.

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

Figure 6: Détection du défaut de soudure interne cible dans des soudures orbitales de différents diamètres. La topologie courte est préférable pour le plus petit diamètre de la soudure orbitale, en raison de la faible épaisseur de
la paroi à pénétrer et de la distorsion du signal créée par le grand angle de la topologie longue. Pour les soudures plus grandes et plus épaisse, les performances dépendent de la profondeur de pénétration, et la topologie longue devient préférable.

### 3.3. Taille et fréquence de la bobine

La première itération de la sonde ECA a été construite avec des capteurs à courants de Foucault de 2 mm, sur la base de ceux utilisés pour l'inspection des gaines de combustible nucléaire. Cette taille est également conforme à l'épaisseur maximale de la paroi des soudures orbitales (2 mm) et à la longueur minimale de la fissure cible à détecter (2 mm).

Les premiers essais ont été réalisés à 1200 kHz, ce qui correspond à la limite supérieure de fonctionnement des bobines sélectionnées. Cependant, comme les effets de résonance commençaient à affecter la qualité des résultats, la fréquence a été abaissée à 1050 kHz. Bien qu'il s'agisse d'une fréquence relativement élevée pour le contrôle par courants de Foucault, les résultats présentés dans la section suivante montrent qu'elle permet de détecter à la fois les défauts internes et externes.

### 3.4. Concept de la sonde ECA

Ces premières validations ont conduit à la mise au point du prototype de sonde ECA illustré à la figure 7. La sonde est contenue dans un disque mince qui s'ouvre autour du tube et peut être fixé directement sur la soudure orbitale. Le réseau de bobines est monté sur ressort avec une pression réglable sur la surface de la soudure, ce qui permet de minimiser le bruit d'entrefer pendant les balayages. Une roue codeuse en contact avec la soudure est utilisée pour enregistrer la position circonférentielle de chaque indication détectée.

L'utilisation de cette sonde ECA sur mesure a permis d'améliorer le rapport signal/bruit par rapport aux résultats précédents obtenus avec une sonde mono-élément. Cela est dû à une meilleure stabilité mécanique, à une meilleure répétabilité des balayages et aux capteurs qui garantissent une réponse uniforme sur toute la largeur de la soudure. La figure 8 montre un exemple de C-scan obtenu avec cette sonde sur la plus petite soudure orbitale disponible (6 mm de diamètre, 0.7 mm d'épaisseur de paroi), montrant la détection de fissures cibles externes et internes.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 7: Concept de sonde ECA développée pour l'inspection des soudures orbitales. En haut: vue latérale d'un tube d'alimentation montrant la direction de balayage circonférentiel sur le dessus de la soudure orbitale. En bas: coupe transversale de la ligne d'alimentation montrant le module monté sur ressort contenant les capteurs à courants de Foucault en contact avec la soudure orbitale. L'encodeur circonférentiel permet d'appliquer une pression sur la soudure pour assurer la stabilité du balayage et le positionnement précis des défauts sur la circonférence de la soudure.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 8: C-scans agrandis montrant une indication de fissure externe et interne obtenue par balayage d'une soudure orbitale de petit diamètre dans la direction circonférentielle avec la sonde ECA développée. La topologie d'émission-réception courte a été utilisée, avec des bobines de 2 mm fonctionnant à 1050 kHz.</figcaption></figure>
La figure 9 montre les résultats d'un C-scan acquis sur un autre échantillon, cette fois avec un groupe de porosités au milieu de la paroi dans la soudure orbitale, qui peut également être détecté avec l'ECA. La sonde est conçue avec suffisamment de bobines pour assurer la couverture complète de la soudure, y compris la zone affectée thermiquement: cela signifie qu'un seul balayage circonférentiel est nécessaire. Le système mécanique développé permet de fixer la sonde sur la soudure et de balayer toute la circonférence du tube, le tout en quelques secondes. Ceci met en évidence le gain de vitesse de l'ECA par rapport aux méthodes conventionnelles.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 9: C-scans 2D et 3D acquis avec la sonde ECA, montrant l'indication d'un groupe de porosités à l'intérieur de la soudure orbitale.</figcaption></figure>

## 4. Conclusions

Cet article a détaillé le processus de développement d'une solution à courants de Foucault multi-éléments pour l'inspection de soudures orbitales dans les lignes d'alimentation de différents matériaux, diamètres et épaisseurs de paroi. Un réglage minutieux de la taille, de la fréquence et de la topologie des bobines a permis de mettre au point un prototype de sonde ECA capable de

balayer les soudures orbitales dans le sens circonférentiel en quelques secondes, permettant de détecter les défauts externes, internes et en milieu de paroi, tels que les fissures et les groupes de porosités. Des travaux supplémentaires sont en cours pour étendre cette solution à d'autres géométries de soudure et permettre la détection de défauts encore plus petits.

Cette solution offre un gain d'efficacité significatif par rapport à la méthode traditionnelle d'inspection des soudures orbitales par ressuage et radiographie. Avec le volume croissant de composants d'engins spatiaux qui nécessiteront un examen non-destructif dans un proche avenir, l'ECA se positionne comme un candidat solide pour le remplacement des méthodes d'inspection obsolètes dans l'industrie aérospatiale.

## Références

[1] M. Karthikeyan, V.N.A. Naikan, R. Narayan, *International Journal of Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management* 20: 41-52, 2017.

[2] B. Çal, Y. Yurttas, *9th International Conference on Recent Advanced in Space Technologies*, Turkey, 2019.

[3] R.R. Hugues, Y. Fan, S. Dixon, *42nd Annual Review of Progress in Quantitative Non-destructive Evaluation*, USA, 2016.

[4] A.M. Allard, M. Bouchard, O. Rousseau-Cyr, J. Yadav, *NDE Conference*, India, 2019.

[5] A. Farr, A.M. Allard, S. Savard, *7th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components*, Japan, 2009.

[6] E.A. Foster, C.N. Macleod et al., *Sensors* 22: 6036, 2022.