<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Titre : Application de la TFM à l'inspection de pièces à profil interne irrégulier et à l'inspection de soudures FE de forte épaisseur.

Laurent Le Ber¹, Patrick Recolin¹, Guillaume Fauveau¹, Antoine Hegron¹,

¹CESMAN, Naval Group, France;

*corresponding author, E-mail: laurent.leber@naval-group.com

## Résumé

Depuis quelques années, Naval Group s'approprie la technologie de Focalisation en Tous Points (FTP plus connue sous son acronyme anglais TFM) en l'appliquant progressivement à ses cas industriels.

Deux applications sont présentées dans cet article :

- une utilisation de la TFM pour les mesures de profilométrie interne de composants,

- une utilisation de la TFM pour le contrôle d'une soudure de forte épaisseur.

Pour chaque cas, l'application est décrite et les comparaisons entre différentes techniques ultrasonores sont effectuées. Une analyse des gains potentiels est présentée. Des explications physiques utilisant la simulation CIVA sont proposées. Les éventuels inconvénients sont aussi discutés.

## 1. L'utilisation des techniques TFM à Naval Group

D'abord étudiée en laboratoire, la TFM dont les normes [1] et [2] ont été publiées en 2021 est de plus en plus utilisée en expertise à Naval Group en complément de techniques plus traditionnelles (Conventionnel, TOFD ou multiélément). Ces dernières représentent encore l'immense majorité des contrôles réglementaires associés à des sanctions de composants en fabrication et ou en suivi en service.

La TFM présente le double avantage technique de focaliser l'énergie acoustique ultrasonore mais aussi, via son émission FMC ou PWI divergente, d'insonifier la zone d'intérêt sous de multiples angles.

Le premier aspect (i.e. focalisation) présente l'avantage d'améliorer potentiellement le rapport signal sur bruit de détection de défauts de petite taille.

Le second aspect (i.e. divergence de l'émission) présente l'avantage d'améliorer potentiellement la sensibilité de détection de défauts désorientés.

Malgré ces deux intérêts non négligeables, le remplacement des techniques conventionnelles par de la TFM pour des contrôles réglementaires n'est pas systématique, loin s'en faut. En plus des aspects économiques et de la formation des opérateurs, une des explications est qu'il pré-existe un REX de plusieurs décennies pour les techniques traditionnelles. Une deuxième explication est que la transposition des seuils de notation en amplitude n'est pas toujours évidente entre les différentes techniques.

L'approche de Naval Group concernant la TFM privilégie une montée en compétence en réalisant des expertises. D'autre part, pour les applications associées au suivi en service et lorsque la TFM démontre un avantage évident (sensibilité ou rapport signal sur bruit ou facilité de mise en œuvre...), leurs déploiements fait l'objet d'une qualification formelle. Ces travaux sont menés sous la direction du STXN suivant une méthodologie définie par celui-ci. Cette méthodologie reprend les grands principes de justification recommandés par l'ENIQ ou le R-SEM.

L'objet de ce papier est de présenter non seulement quelques exemples d'utilisation de la TFM dans le cadre d'expertises (deux exemples de profilométries internes de composants sont présentés) mais aussi de présenter une application en fin de qualification pour le suivi en service de soudures en acier inoxydable de forte épaisseur soudées par faisceau d'électron.

## 2. Utilisation de la TFM pour des profilométries internes de composants

La TFM a été utilisée à plusieurs reprises pour des profilométries internes de composants. Les deux exemples suivants sont décorrélés des applications finales mais ont alimenté les validations sur composant réel.
## 2.1. Profilométrie interne de composants revêtus

La première pièce inspectée est une portion de cylindre en acier ferritique sur laquelle a été déposé un revêtement en acier inoxydable. Le revêtement n'est pas déposé de manière homogène sur la pièce et la profilométrie interne de la pièce est complexe. Cette pièce cylindrique a fait l'objet d'un scan optique 3D et a été aplanie numériquement pour comparaison avec les mesures acoustiques.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Scan 3D aplani présentant la surface interne d'un bloc en acier ferritique revêtu de 4 passes d'acier inoxydable</figcaption></figure>

La sonde multiélément utilisée est classique (5L64-A12 : 64 éléments, 5 MHz de fréquence centrale pour un pitch de 0.6 mm et une élévation de 10 mm), montée sur un sabot droit de 20 mm de hauteur.

Les essais ultrasonores sont réalisés en balayage incrément de type peigne par la face opposée. La configuration électronique est multi-groupe, à la fois en TFM (émission FMC sur les 64 éléments d'ouverture) et en multi-éléments classiques selon deux ouvertures (8 éléments sans focalisation et 16 éléments avec focalisation en fond de pièce). Le couplage est donc identique pour les deux techniques à chaque position de sonde.

L'épaisseur est extraite du maximum de l'enveloppe, que ce soit en TFM ou en multiélément. Lorsque le profil interne des pièces est chahuté (ce qui est notre cas), cette technique est privilégiée car moins sensible aux pertes d'échos.

Pour chaque groupe ultrason, une profilométrie est réalisée et comparée qualitativement puis quantitativement en quelques profils aux mesures par scan optique 3D.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Surface interne mesurée par ultrasons multiéléments – ouverture de 8 éléments sans focalisation</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Surface interne mesurée par ultrasons multiéléments – ouverture de 16 éléments avec focalisation sur le fond de la pièce</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Surface interne mesurée par ultrasons TFM</figcaption></figure>
Un profil est extrait selon une coupe indiquée ci-dessous et comparée quantitativement au centre de la maquette.

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

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 : Positionnement d'une coupe et comparaison des mesures acoustiques à la mesure optique</figcaption></figure>

L'accord entre mesure optique et acoustique est bon avec au maximum une erreur de 3/10ème de mm quelle que soit la technique acoustique. Comme le montrent les surfaces internes reconstruites (Figures 2, 3 et 4), la finesse dans le plan de balayage électronique (Axe d'incrément Y) est bien meilleure pour la TFM que pour le balayage électronique de 16 éléments (et à fortiori pour 8 éléments).

## 2.2. Utilisation de la TFM pour des profilométries de manque de matière en racine

La seconde pièce est représentative d'un manque de matière en racine de soudure, dont la géométrie a ici été fortement amplifiée. Il s'agit, pour cette pièce, d'une saignée étroite usinée de 3 mm de profondeur maximale sur 7 mm de large et sa géométrie varie continument d'un fond cylindrique à un fond triangulaire. Cette pièce est intéressante car elle est représentative d'une variation de profil interne très localisée.

La même méthodologie est utilisée que pour le cas précédent (Comparaison d'essais Multi groupes TFM et multiéléments). Cette fois cependant, l'ouverture active de la sonde est plus importante (16 éléments), avec une sonde 128 éléments Pitch 0,75 mm au contact sans sabot. Le choix de cette sonde s'explique car la pente de la saignée est importante et une épaisseur plus importante que la première pièce : des premiers essais réalisés avec une sonde 5L64 de plus petite ouverture ne permettaient pas d'imager correctement la géométrie.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6 : Superposition entre le fond reconstruit acoustiquement en TFM (128 éléments d'ouverture) en gris bleu avec un Scan 3D en vert</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7 : Superposition entre le fond reconstruit acoustiquement en multiéléments 16 éléments d'ouverture en gris bleu avec un Scan 3D et définition des coupes A-A et B-B</figcaption></figure>

Les 2 courbes suivantes comparent les profils mesurés en TFM et multiéléments aux mesures optiques 3D pour deux positions de coupes différentes :

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 8 : Superposition entre le fond reconstruit acoustiquement en multiéléments 16 éléments d'ouverture</figcaption></figure>
en gris bleu avec un Scan 3D en vert selon les coupes A-A et B-B

A nouveau, on constate une meilleure résolution latérale pour la TFM associée à la tache focale du faisceau acoustique. Même si la forme est bien plus fidèle au scan optique pour la TFM, la valeur de l'épaisseur minimale est globalement bien retrouvée que ce soit en TFM ou en multiéléments.

## 2.3. Illustration par simulation CIVA

La différence de « résolution spatiale » observée entre les multiéléments et la TFM s'explique par la taille du faisceau acoustique virtuel plus petit en TFM que le faisceau physique en multiéléments. Il s'explique aussi en la moindre sensibilité de la TFM à une désorientation du fond.

Cette moindre sensibilité à la désorientation s'explique qualitativement par le fait qu'en réception, la totalité de l'ouverture de la sonde est utilisée. L'énergie émise par un élément est récupérée par d'autres éléments sur la largeur totale de la barrette lorsque le fond de la pièce est désorienté tel qu'indiqué sur le schéma ci-après (faisceau acoustique en vert) :

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 9 : Energie acoustique contributive en TFM avec un fond désorienté (tilt)</figcaption></figure>

Alors qu'en multiéléments « classiques » c'est la même ouverture qui émet et reçoit et l'énergie acoustique réfléchie par un fond à faible tilt n'est pas récupérée par la même ouverture :

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 10 : Energie acoustique non contributive en PA avec un fond désorienté (tilt)</figcaption></figure>

Des simulations sur des défauts plans de hauteur x extension 5 x 5 mm (H5) ont été réalisées en TFM et des comparaisons avec les configurations multi-éléments (16 éléments avec focalisation au niveau du défaut et 8 éléments sans focalisation) ont été faites.

Le défaut plan est progressivement désorienté d'un angle de tilt variant de -35° à 35° par pas de 1,8° environ (l'angle de tilt=0° représente un fond parallèle à la surface) tel qu'indiqué sur la figure suivante :

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 11 : Définition de l'angle de tilt</figcaption></figure>

Le maximum d'amplitude en fonction de l'angle de tilt est extrait de chaque simulation. Chaque courbe est normalisée par rapport à l'amplitude max correspondant à l'incidence normale (tilt = 0°) et représentée sur la figure suivante :

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 12 : Evolution de l'amplitude de la réponse d'un défaut de hauteur 5 mm en fonction de l'angle de tilt pour différentes émissions</figcaption></figure>

La figure 12 illustre la moindre sensibilité de la TFM à une désorientation du fond de la pièce. Ainsi, pour le défaut considéré de hauteur 5 mm, une désorientation de 19° fait chuter l'amplitude en TFM de 6 dB alors que 7,5° suffisent en multiélément focalisés. La TFM reconstruit donc plus finement les accidents géométriques au fond des pièces qu'un balayage électronique multi-élément. Les valeurs quantitatives dépendent néanmoins de la distance de la sonde au fond et de l'ouverture du capteur.
### 3. Utilisation de la TFM en PWI/TFM Pitch Catch pour le contrôle soudure par Faisceau d'électron de forte épaisseur

L'application suivante concerne le contrôle de soudures par faisceau d'électron. Le composant associé est intégralement fabriqué en acier inoxydable de forte épaisseur. Il est implanté en chaufferie nucléaire embarqué dans un espace très restreint rendant son contrôle en ultrasons manuels très complexe pour le suivi en service.

Les applications d'Essais Non Destructifs utilisées pour le suivi en service des chaufferies nucléaires embarquées des sous-marins et porte-avion français font l'objet d'une qualification formelle. Ces travaux sont menés sous la direction du STXN suivant une méthodologie définie par celui-ci. Cette méthodologie reprend les grands principes de justification recommandés par l'ENIQ ou le R-SEM.

#### 3.1 Descriptif de la technique

Une technique PWI/TFM Pitch Catch et TRL0 a été développée et est actuellement en fin du processus de qualification.

La hauteur du joint soudé a été découpée en 5 zones distinctes présentées sur la figure ci-dessous.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 13 : Zones à performances garanties dans la profondeur du joint soudé FE et zones de recouvrements hachurées</figcaption></figure>

La zone inférieure fait l'objet d'une qualification antérieure prononcée il y a une dizaine d'année et utilise une technique TOFD multi-élément (Swing-scan avec un couple de sonde en vis-à-vis [3]). Les 3 zones situées au-dessus sont insonifiées par le même couple de sonde en émission réception séparée PWI/TFM Pitch Catch. Chaque zone est associée à un PCS (Probe Center Spacing ou écartement des sondes) différent. Enfin, la zone supérieure est traitée par une sonde émission / réception séparée sur sabot avec angle de toit en FMC/TFM TRL0°.

Les sondes sont présentées ci-après :

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 14 : Sondes Pitch Catch présentant l'entraxe mécanique (ou PCS)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 15 : Sondes TRL0</figcaption></figure>

#### 3.2 Simulation CIVA

La simulation CIVA est largement utilisée à Naval Group dans le cadre des qualifications. Elle est généralement évaluée en début de qualification sur maquette représentative et, une fois qu'un bon niveau de confiance est obtenu, elle est appliquée pour l'étude des paramètres influents.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 16 : Comparaison essais simulations sur des trous génératrices dans le métal de base en mode pitch catch PWI/TFM pour le PCS 55 mm</figcaption></figure>

La simulation des impacts en amplitudes et positionnements liées aux variations des paramètres influents est un peu plus subtile que pour les calculs effectués habituellement dans le
cadre des qualifications. La détermination des temps de vols utilisés pendant la sommation TFM utilise les paramètres théoriques en configuration nominale et une méthodologie particulière a été développée dans le cadre de cette qualification.

### 3.3 Traitement des paramètres influents

Sans rentrer dans le détail de la qualification qui a couru sur deux ans, quelques paramètres influents se sont détachés avec notamment, l'influence de la température du composant et plus particulièrement son influence sur la vitesse dans la Rexolite. Surtout l'influence forte du PCS observée par simulation et validée ensuite expérimentalement a conduit à la fabrication de cales de calibration afin de mieux maîtriser ce paramètre :

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>Figure 17 : Jeux de cales pour le mode Pitch Catch</figcaption></figure>

### 3.4 Illustration sur composant réel

L'accès à un composant en cours de fabrication (la qualification couvrant le suivi en service) a été possible et un composant en fabrication dans lequel a été détectée une non-conformité en radio et en UT conventionnels a pu être scannée par la technique nouvellement développée avant réparation. Sont présentées ci-après quelques résultats présentant la non-conformité en Radio et l'imagerie TFM associée.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 18 : Radiogramme des indications non conformes</figcaption></figure>

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 19 : Indications détectées en radio retrouvées avec le mode PWI/TFM Pitch Catch PCS 100 mm</figcaption></figure>

Après réparation, la même zone a pu être a nouveau scannée et on y observe clairement la réparation :

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>Figure 20 : Zone réparée PWI/TFM Pitch Catch PCS 100 mm</figcaption></figure>

### 4. Conclusions

La focalisation des faisceaux virtuels en tout point est un réel avantage en termes de résolution et d'imagerie.

De même, les zones couvertes et insonifiées avec plusieurs angles peuvent représenter un avantage industriel très intéressant en limitant le temps des acquisitions.

Cette technique présente néanmoins une sensibilité importante à certains paramètres associés à la reconstruction notamment sur les amplitudes de détection. La maîtrise de ces paramètres nécessite un soin particulier, faute de quoi la sensibilité de l'examen peut être dégradée.
## Remerciements

Nous tenons à remercier ici le CEA/STXN pour le financement de ces travaux.

## Références

[1] 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] 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 de techniques associées

[3] Recolin, P., Marie, B., & Rivalin, S. (2012). Examen partiel en TOFD d'une soudure FE austénitique. Cofrend 2011, National NDT Seminar & Exhibition, May 24-27, 2011, Dunkerque, France.