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# Cas d'utilisation du contrôle Ultrasons méthode TFM/ FTP pour « le suivi en service » multi-milieux

Jean-Christophe Sirgue¹, Laëtitia Minier¹, Michaël Marcet ¹

¹DGA Techniques aéronautiques, France.

## Résumé

Dans le cadre de son activité de soutien aux différentes entités du Ministère des Armées, le service de Contrôles Non Destructifs de la DGA apporte son expertise sur les méthodes d'inspections actuelles et futures. Depuis 2020, la méthode ultrasons TFM a pu intégrer le panel des méthodes pratiquées par la DGA pour de nombreuses applications telles que: la détection et la caractérisation de dommages sur des soudures en T dans le domaine Naval, le suivi de l'évolution de la propagation de fissure en temps réel pour des essais de fatigue, l'évaluation du profil en profondeur de fissures observées en magnétoscopie sur un vilebrequin moteur, la détection de fissures dans les fonds de filets de corps de régulateurs hydrauliques sur aéronef. Les choix de configurations de contrôle et de reconstruction sont présentés.

## 1. Introduction

Dans le cadre du maintien en conditions opérationnelles au sein des armées, le CND (Contrôle Non Destructif) intervient tout au long du cycle de vie d'un programme. Les temps longs caractéristiques du développement des systèmes d'armement nécessitent une veille permanente sur les nouvelles technologies. Dans ce contexte les nouveaux moyens de contrôles sont testés en conditions afin d'évaluer leur potentiel pour une éventuelle future mise en place. Le domaine du contrôle par ultrasons a vu apparaître ces dernières années de nombreux développements liés aux améliorations et montées en puissances des post-traitement numériques et traitements de données en temps réel. La méthode de contrôle FMC/TFM (ou acquisition de la matrice intégrale/Focalisation en tout point) a permis de nouvelles applications. Plusieurs exemples sont présentés dans cet article, relatifs aux domaines naval et aéronautique.

## 2. Contrôle de soudures en T

### 2.1. Apports de la TFM en comparaison du TOFD

Pour le contrôle par l'extérieur de soudures en T à pénétration partielle d'éléments structuraux navire inaccessibles par l'intérieur, la TFM est utilisée avec les deux modes de reconstruction suivants : LL et TT voir [1]. En suivant les préconisations de [2], un scan centré sur la

soudure à 0° en mode LL puis un scan de chaque côté avec un sabot d'angle à 55° en mode TT sont réalisés. Ils permettent de contrôler complètement la zone autour du pied et de la racine de cordon.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1: TFM tir 0° mode LL.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2: TFM tir 55° mode TT.</figcaption></figure>

La méthode TOFD est actuellement la référence en terme de contrôle de soudures bout à bout [3]. Elle est complétée par des contrôles ultrasons monoélément avec un angle selon les configurations de soudure suivant la norme [4]. Dans cet article il est proposé de comparer la méthode TFM par rapport à la méthode TOFD dans le cadre du contrôle de joints soudés en T sur navires.

Un premier apport de la TFM par rapport au TOFD est la possibilité d'identifier plus précisément des défauts en un seul scan. En effet le B-scan TOFD correspond à une vue de côté de la soudure et il s'agit de la seule visualisation
possible alors qu'en TFM, le scan peut être visualisé en 3D. Ainsi, le T-scan en TFM permet une vue en coupe de la soudure, le positionnement et l'identification directe d'un défaut. Par exemple, une agglomération de porosités en bordure de ZAT et proche du fond en TOFD ne peut donc être distinguée d'une fissure et peut conduire à des demandes de dérogations non nécessaires. Avec la TFM le positionnement des diverses porosités est directement visualisable sur le T-scan.

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

Figure 3: B-scan TOFD - indications d'agglomération de porosités semblable à une indication de fissure, vue de côté de la soudure.

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

Figure 4: T-scan TFM 0° mode LL – indications de porosités positionnées en bordure de ZAT, vue en coupe de la soudure.

Ensuite, l'utilisation du mode TT en tir sectoriel permet la mise en évidence de fissures en pied de cordon avec un meilleur rapport signal sur bruit qu'en mode LL à 0°. Les échos de diffraction en pointe de fissure permettent leur dimensionnement.

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

Figure 5: T-scan TFM 55° mode TT – fissure en pied de cordon.

Enfin, il est possible d'étendre la zone de contrôle au cordon de soudure (voir figure 6) et à l'âme de la pièce soudée (voir figure 7) là où le TOFD s'arrête à la face opposée à celle de contrôle. Il est également possible de détecter les manques de pénétration au droit du fond de l'épaisseur de coque, invisible en TOFD sauf avec un balayage parallèle (voir figure 8).

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

Figure 6: Magnétoscopie d'une fissure dans le cordon de soudure (haut). T-scan TFM 0° mode LL – fissure dans le cordon de soudure (bas).
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 7: Ressuage marquant une fissure dans l'âme (haut). Schéma de la fissuration (milieu). T-scan TFM 55° mode TT – fissure dans l'âme (bas).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 8: T-scan TFM 0° mode LL – manque de pénétration.</figcaption></figure>

## 2.2. Suivi de fissuration en fatigue

Lors d'essais de fatigue en traction sur le même type de joint en T, le suivi par TFM est utilisé afin de suivre la

propagation de fissure en direct. Les éprouvettes présentent des entailles au niveau du pied de cordon. Le capteur TFM est fixé et placé de façon à observer le plan de fissuration sur le T-scan. Le contrôle est réalisé durant tout l'essai avec un tir à 0° et la reconstruction utilise le mode LL. L'enregistrement est temporel, permettant d'afficher l'évolution du profil de fissuration en fonction du temps.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 9: Schéma de la disposition du capteur sur l'éprouvette.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 10: Visualisation de l'évolution du A-scan du point central du profil de fissuration en fonction du temps.</figcaption></figure>

L'observation du faciès de rupture est en accord avec l'observation du T-scan en fonction du temps. La cinétique de fissuration est retrouvée.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 11: Visualisation du T-scan quelques cycles avant la rupture.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 12: Faciès de rupture de l'éprouvette.</figcaption></figure>

Ici le phénomène de diffraction sur les facettes de la fissure permet sans déplacer le capteur sa mise en évidence. L'évolution possible pour ce type de suivi peut être l'utilisation d'un capteur matriciel afin de prévenir un départ en biais de la fissure qui sortirait du plan d'inspection. Ce type d'application peut s'avérer intéressant pour le suivi d'un essai et la mesure de la propagation de fissure en direct.

### 3. Contrôle d'un Vilebrequin

Dans le cadre d'une demande d'expertise suite à incident, il a été demandé la recherche et le dimensionnement de tous défauts possibles sur un vilebrequin moteur de navire. Deux types de contrôles ont été réalisés : un contrôle magnétoscopique et un contrôle par TFM.
La magnétoscopie a mis en évidence des fissures débouchantes sur un des tourillons.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 13: Contrôle par magnétoscopie d'un tourillon.</figcaption></figure>

Le contrôle par TFM sur le côté à 0° en mode LL permet de retrouver le résultat de la magnétoscopie.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 14: Contrôle par TFM 0° mode LL C-scan.</figcaption></figure>

Ensuite le contrôle par TFM en mode TT sur chaque fissure en plaçant le capteur avec un sabot d'angle sur le côté de la fissure et en le déplaçant le long de celle-ci permet le dimensionnement en profondeur. Ce dimensionnement n'est possible en ultrasons conventionnels que si la face opposée est accessible, ce qui n'est pas le cas ici.

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 15: Contrôle par TFM 55° mode TT, T-scan visualisation de la profondeur.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 16: Contrôle par TFM 55° mode TT, D-scan visualisation du profil et vue 3D.</figcaption></figure>

Ce dimensionnement a permis un usinage au plus proche permettant d'ouvrir les fissures pour analyse
fractographique du faciès. Ces dernières se sont avérées être des tapures de trempe.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 17: Faciès d'une fissure ouverte.</figcaption></figure>

## 4. Contrôle de régulateurs hydrauliques

Lors de la maintenance d'un aéronef, l'application d'une consigne de sécurité a conduit à changer trois types de régulateurs hydrauliques. Afin de couvrir le risque de rupture durant le délai nécessaire au changement des pièces sur la flotte entière, il a été demandé un contrôle après dépose sans désassemblage.

La solution envisagée était dans un premier temps le contrôle par rayons X. Cette solution a pour désavantage d'être longue à mettre en place et de nécessiter des consignes de sécurités particulières. Ensuite, les ultrasons méthode TFM se sont avérés intéressants. Une cale de démonstration a permis de valider le contrôle.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 18: Régulateur hydraulique rompu.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 19: Comparaison résultats de la zone d'intérêt en radiographie à rayons X et TFM.</figcaption></figure>

### 4.1. Cale de démonstration

Pour le contrôle sur ces pièces en aluminium, un traducteur barrette linéaire ainsi qu'un sabot mis en forme pour épouser la courbure du tube ont été utilisés. Le contrôle se fait à 0° et la reconstruction en mode LL.

La cale étalon a été usinée de façon à avoir des entailles en fond de filet de 0,2 ; 0,5 ; 1 et 1,5 mm de profondeur sur une longueur de 5mm. Toutes les entailles sont détectées par la méthode TFM. Le contrôle par TFM de ces pièces permet donc une sensibilité de 0.2mm de profondeur d'entaille en fond de filet.
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 20: Résultats du contrôle TFM sur la cale étalon.</figcaption></figure>

## 4.2. Contrôle des pièces

La cale étalon a été utilisée comme cale spécifique pour la calibration avant contrôle. Un montage spécifique permettant la rotation à 360° du tube a été utilisé.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 21: Outillage pour le contrôle.</figcaption></figure>

## 5. Discussion

Dans le cadre du contrôle de soudures, la TFM démontre un vrai apport par rapport aux méthodes de contrôles qualifiées pour l'inspection des joints soudés. La capacité de représentation en 3D permet un positionnement direct sur le joint, depuis l'extérieur de la coque, et un contrôle complet en un nombre réduit de scans.

La visualisation de profil de fissure ou de plusieurs fissures visibles en magnétoscopie en utilisant le phénomène de diffraction en mode LL avec un tir à 0° s'avère être un outil de visualisation rapide et intéressant également pour le dimensionnement du défaut.

L'application de la visualisation d'entailles en fonds de filets de façon directe et rapide en terme de durée d'inspection a été un vrai plus dans le dernier cas présenté sur les régulateurs.

## 6. Conclusions

La TFM, par ses possibilités de post-traitement et de reconstruction est une application intéressante qui s'avère utile dans de nombreux cas et qui peut être utilisée dans différents domaines (Naval, Aéronautique, ...). Sur l'ensemble des cas étudiées la rapidité de contrôle et la facilité de visualisation a pu être mise en évidence. Les normes actuelles proposent une bonne base pour contrôler les cas répertoriés.

## Références

[1] NF ISO 23865 Essais non destructifs – Contrôle par ultrasons – Utilisation générale de l'acquisition de la matrice intégrale/technique de focalisation en tous points (FMC/FTP) et de techniques associées

[2] NF ISO 23864 Essais non destructifs des assemblages soudés – Contrôle par ultrasons – Utilisation de la technique d'acquisition automatisée de focalisation en tout point (FTP) et des techniques associées.

[3] NF EN ISO 15626 Contrôle non destructif des assemblages soudés – Technique de diffraction des temps de vol (TOFD) – Niveaux d'acceptation

[4] NF EN ISO 17640 Contrôle non destructif des assemblages soudés – Contrôles par ultrasons – Techniques, niveaux d'essai et évaluation