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

# Titre : Application de la TFM en émission/réception séparée à l'inspection en service de soudures de forte épaisseur : présentation de la qualification conventionnelle du procédé.

Patrick Recolin¹, Laurent Le Ber¹, Bastien Lavie¹,

¹CESMAN, Naval Group, France;

*corresponding author, E-mail: patrick.recolin@naval-group.com

## Résumé

Depuis quelques années, Naval Group s'approprie la technologie Focalisation en Tous Points (FTP plus connue sous son acronyme anglais TFM) en l'appliquant progressivement sur des cas industriels concrets. Ce papier présente un premier retour d'expérience de la qualification formelle de la technologie TFM appliquée à l'inspection en service des chaufferies nucléaires embarquées de la propulsion navale. L'application présentée ici utilise la technologie TFM en mode émission/réception séparée sur des soudures de composant nucléaire en acier austénitique ou ferritique de forte épaisseur. Ces applications font l'objet d'une qualification conventionnelle au sens du référentiel interne actuellement en cours d'instruction. La configuration est brièvement présentée : elle utilise des traducteurs positionnés en mode Pitch Catch. La liste des paramètres influents est présentée et quelques résultats tirés des dossiers de justifications techniques utilisant assez largement la simulation mais aussi les expériences sont discutées. Certaines spécificités de la TFM en termes de qualifications sont soulignées. Les avantages/inconvénients de la technique sont évoquées et lorsque c'est possible, quantifiées.

## 1. Le TOFD à Naval Group

La technique TOFD utilisant un couple de sondes conventionnelles est aujourd'hui largement utilisée à Naval Group. D'abord étudiée en laboratoire dans les années 90, elle a ensuite été utilisée dans le domaine des expertises ultrasonores et du suivi en service dans les années 2000 avant d'être intégrée dans nos référentiels de fabrication de coque et structure, tant pour les coques de sous-marins que pour celles des bâtiments de surface à partir de 2010. Elle a permis de remplacer la gammagraphie sur différents cas de soudure bout-à-bout. Son efficacité technique et sa pertinence industrielle sont aujourd'hui partagées par Naval Group et ses clients.

## 2. Pourquoi du TOFD en PA

Malgré tout l'intérêt de la technique TOFD conventionnelle, le laboratoire Matériaux de Naval Group s'est néanmoins intéressé dès les années 2010 à l'utilisation de sondes multi-éléments (PA) pour réaliser des examens TOFD. La configuration utilisée consiste alors en deux sondes linéaires identiques séparées par un PCS fixe dont les faisceaux peuvent être pilotés en balayage, déflexion et focalisation.

Cette configuration peut présenter plusieurs avantages, nous en citerons deux ci-dessous.

### 2.1. Focalisation

Dans le cas d'un matériau présentant une atténuation importante (acier à structure austénitique par exemple), la recherche de divergence de faisceau classiquement recherchée en TOFD avec notamment des pastilles de faible dimension nuit fortement au rapport signal sur bruit. A l'inverse, l'utilisation de capteur de plus grande ouverture limite grandement la zone examinée.

Une technique TOFD PA combinant une grande ouverture et une déflexion électronique est une alternative intéressante et améliore grandement le rapport signal/bruit. Plusieurs lois focales de déflexion différentes permettent de focaliser le faisceau en divers points du volume. L'imagerie complète du volume est ensuite obtenue à l'analyse par fusion des imageries de chaque loi.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : principe du balayage pendulaire en TOFD-PA</figcaption></figure>
Cette technique a été utilisée pour réaliser l'examen du pied d'une soudure par Faisceau d'Electron sur un acier austénitique en forte épaisseur [1].

L'amélioration du rapport signal/bruit par cette focalisation sur une entaille électro-érodée située dans le joint est évidente.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Bscan d'une entaille débouchante sur acier austénitique</figcaption></figure>

## 2.2. Couverture de zone

Un deuxième cas avantage est celui de la couverture de zone. Considérons le cas d'un joint soudé en acier ferritique présentant une ouverture importante (de l'ordre de 50 mm). L'examen en TOFD conventionnel du métal fondu de ce joint et de sa ZAT amène à considérer un volume d'examen important. Le croquis ci-dessous présente le volume à inspecter et les volumes couverts par les couples TOFD recommandés par la norme [2]. Ces volumes ont été déterminés expérimentalement en considérant les dimensions images à -12 dB d'entailles électro-érodées.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Couverture de zone en TOFD conventionnel : L45 en jaune/L60 en rose/L70 en bleu</figcaption></figure>

L'examen de ce volume suppose donc de passer 3 couples à 45/60/70° pour couvrir l'épaisseur et de réaliser plusieurs balayages déportés. On arrive à un total 7 balayages.

En utilisant la déflexion électronique pour amener à des croisements de faisceau à différents points du volume, on peut, là aussi, réaliser l'examen en un seul balayage avec plusieurs lois focales qui sont fusionnées à l'analyse.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : principe de la focalisation multi-points en TOFD-PA</figcaption></figure>

L'image ci-dessous présente une imagerie Bscan fusionnée d'un balayage parallèle réalisé sur une cale d'épaisseur 100 mm contenant 4 entailles électro-érodées traversantes.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5: Imagerie Bscan d'entailles en TOFD-PA en focalisation multi-points</figcaption></figure>

On retrouve une imagerie TOFD « classique » avec les échos de diffraction de tête et de pied, plus des échos de transformée OL/OT et avec une échelle de profondeur quadratique mais sur une largeur très importante (de l'ordre de 70 mm) et avec une excellente homogénéité de l'amplitude vis-à-vis de l'écart à l'axe.

## 3. Pourquoi du TOFD en TFM

Cette configuration TOFD-PA présente néanmoins certaines faiblesses.
**3.1. Acquisition**

D'abord, la multiplication des lois d'examen peut être une limite à la vitesse d'acquisition.

Ensuite, l'opérateur ne dispose d'aucune imagerie temps réel facilement interprétable pendant l'acquisition : il peut au mieux surveiller les imageries sur une ou deux lois focales mais n'aura qu'une vision très partielle de l'acquisition. C'est notamment problématique pour les examens réalisés avec des systèmes manuels encodés.

L'utilisation d'une configuration TOFD en mode TFM permet d'avoir dès l'acquisition une vision en temps réel de l'ensemble du volume inspecté, avec une grande rapidité (un seul canal d'acquisition).

**3.2. Analyse**

Les imageries obtenues par fusion des données ne permettent pas une analyse en phase des signaux. Avec le TFM, l'information de phase des signaux peut être obtenue directement, et l'échelle des profondeurs est linéaire.

En TOFD-PA le positionnement des indications dans le plan d'incidence est possible en identifiant les lois de plus forte réflectivité. C'est un avantage par rapport à la technique TOFD conventionnelle mais la résolution spatiale atteinte dépend du nombre de lois utilisés et reste assez grossière. En TOFD-TFM, la résolution spatiale dans le plan d'incidence est excellente.

Enfin, en TOFD-PA l'échelle des imageries en profondeur reste quadratique alors qu'elle est linéaire en TOFD-TFM. L'image ci-dessous présente la même acquisition que celle de la figure 5 en mode TFM.

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 6 : Imagerie Bscan d'entailles en TOFD-PA en TFM</figcaption></figure>

On peut notamment remarquer que même si la reconstruction selon l'axe de la profondeur est linéaire, les échos des entailles proches de la surface sont plus larges que ceux des entailles situées en fond : on retrouve là l'effet d'échelle quadratique associé à la technique TOFD.

**4. Qualification des procédés pour la Propulsion Nucléaire**

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.

A ce titre, deux applications TFM sont aujourd'hui en cours de qualification, une sur joint austénitique et l'autre sur joint ferritique. Les paragraphes suivants présentent quelques résultats issus de ces travaux.

**5. Recalage simulation**

La simulation est un outil essentiel pour le montage des dossiers de justification. Une comparaison des amplitudes des échos de diffraction obtenus sur des têtes d'entailles en référence à des génératrices de diamètre 2 mm a été réalisée. Pour ce faire, une mesure en TFM a été réalisée sur génératrice et entailles, puis une simulation de cette expérience sous CIVA 2021 a été réalisée.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 7: Courbe de sensibilité expérimental vs simulation</figcaption></figure>

On vérifie tout d'abord le très bon recalage de la réflectivité de la génératrice. On constate ensuite que la simulation des échos de diffraction de tête en mode TFM est très satisfaisante. La simulation de la technique TFM ne pose donc pas de problème spécifique.

**6. Les paramètres influents**

L'étude des paramètres influents des deux applications a permis de mettre en évidence quelques spécificités propres à la technique TOFD TFM.

**6.1. Vitesse**

Le paramètre de la célérité des ondes dans le matériau (et par voie de conséquence le paramètre température) est un paramètre classiquement étudié dans les dossiers de qualification ultrasonore. Il est en général jugé de second ordre pour son influence sur la sensibilité sauf lorsqu'il impacte significativement les angles de réfraction avec des
techniques réflectives. Son influence majeure est donc
plutôt sur la localisation des indications.

Dans le cas de la reconstruction TFM, l'influence de la vitesse impacte néanmoins la réponse en amplitude des indications. Si la vitesse utilisée pour la reconstruction est significativement différente de la vitesse réelle dans le matériau, on observe une chute en amplitude.

La courbe ci-dessous a été obtenue en reconstruisant en mode TFM avec plusieurs vitesses une acquisition FMC faite sur des entailles.

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 8 : Réflectivité d'une entaille en fonction de la vitesse de reconstruction TFM</figcaption></figure>

On observe qu'une erreur de +/-30 m/s sur la vitesse réelle (ici autour de 5880 m/s) peut induire une perte de 2 dB, alors qu'une erreur de +/-50 m/s peut amener jusqu'à une perte de 4 dB.

Si la connaissance de la célitérité est facile à obtenir en
laboratoire, elle l'est beaucoup moins en milieu industriel :
même lorsqu'une mesure de vitesse en OL 0° est
réalisable, l'épaisseur réelle de la paroi n'est en général
pas connue car entachée d'une tolérance. Une tolérance de
0,5 mm sur une épaisseur de 60 mm amène à une erreur de
l'ordre de 50 m/s !

6.2. PCS

Un autre paramètre important pour la sensibilité est l'écartement entre les sondes (PCS).

La même acquisition mentionnée au paragraphe précédent est réutilisée. La reconstruction se fait cette fois avec une vitesse optimale de 5880 m/s et pour différents PCS.

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 9 : Réflectivité d'une entaille en fonction du PCS de reconstruction TFM</figcaption></figure>

On observe qu'une erreur de +/-1 mm autour de la valeur optimale de 101 mm induit une perte d'amplitude relativement faible de 1 dB. Par contre, une erreur de 2 mm amène rapidement à une perte de 5 dB.

S'il est relativement simple de mesurer l'écartement entre deux sondes multi-éléments, il est plus difficile d'estimer l'écartement réelle des points d'émergence qui va dépendre de l'ouverture active des sondes, des sabots...

Au vu des courbes présentées pour les deux paramètres vitesse et PCS, il parait alors séduisant de réaliser une optimisation expérimentale de ces paramètres sur un écho de géométrie ou un réflecteur dans le joint. Mais les deux paramètres sont liés pour la reconstruction TFM : le graphe ci-dessous illustre ce phénomène toujours avec le même jeu de données en faisant varier à la fois la vitesse et le PCS.

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 10 : Réflectivité d'une entaille en fonction de la vitesse et du PCS de reconstruction TFM</figcaption></figure>

D'un point de vue sensibilité, un PCS faible peut être
compensé par une vitesse faible et vice-versa.
La maîtrise des paramètres PCS et vitesse est donc essentielle en mode TFM et ne peut se faire que sur une cale de référence.

### 6.3. Ecart à l'axe

Un des avantages de l'utilisation de multi-éléments pour le TOFD est la grande couverture de zone. Il est intéressant de quantifier les variations de sensibilité dans l'ensemble de la zone pour un réflecteur. Nous conservons ici les mesures réalisées sur entaille.

Le graphique ci-dessous présente les variations d'amplitude expérimentales observées pour 3 profondeurs.

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 11 : Réflectivité d'entailles en fonction de la profondeur</figcaption></figure>

On note une variation de 5 à 6 dB pour un écart à l'axe de 40 mm.

### 6.4. Profondeur

Les mêmes données peuvent être exploitées pour visualiser les variations associées à la profondeur du réflecteur pour différents écarts à l'axe.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 12 : Réflectivité de l'écho de pied d'entailles en fonction de l'écart à l'axe</figcaption></figure>

On note là aussi une variation de l'ordre de 7 dB pour des profondeurs allant jusqu'à 60 mm.

Les variations d'amplitude associées aux positions

(profondeur et écart à l'axe) du réflecteur dans la fenêtre de reconstruction TFM sont donc de l'ordre de 12 dB et peuvent être aisément prises en compte par une correction TCG.

### 6.5. Ligne isochrone

Une limitation bien connue du TOFD est celle de la zone morte en fond de pièce associée à la courbe isochrone de l'écho de fond : toute indication TOFD située sur une courbe de temps de vol supérieur à celui de l'écho de fond apparaîtra dans ou après l'écho de fond.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 13 : Illustration de la courbe isochrone du fond de pièce</figcaption></figure>

La problématique se retrouve en TOFD TFM : la zone concernée n'est plus vraiment une zone morte grâce à la localisation dans le plan d'incidence possible avec cette technique mais la détection d'indications peut être gênée par la présence de lignes isochrones associées au fond de pièce. L'image ci-dessous présente un exemple.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 14 : Imagerie Bscan en TOFD-TFM illustrant les courbes isochrones du fond de pièce</figcaption></figure>

### 6.6. Bruit de structure

Le bruit de structure associé à ces imageries TFM a été évalué de manière expérimentale.
Sur joint ferritique, le bruit a pu être estimé à -18 dB de la réflectivité d'une entaille diffractante. Sur joint austénitique FE, le bruit a pu être estimé à -18 dB de la réflectivité d'une génératrice 2 mm.

Ces niveaux de bruits sont tout à fait similaires à ceux obtenus en TOFD-PA : la reconstruction TFM n'apporte donc pas d'amélioration ni de dégradation notable dans ce domaine.

## 7. Forces et faiblesses

L'utilisation d'une reconstruction TFM en mode TOFD présente donc plusieurs avantages par rapport à des approches TOFD conventionnelles ou multi-éléments.

La focalisation importante des faisceaux est un réel avantage dans des matériaux fortement atténuants. De même, les zones couvertes peuvent être extrêmement importantes et offrir donc un avantage industriel très intéressant en limitant le temps des acquisitions.

Enfin, les imageries associées présentent une résolution spatiale inégalée dans le plan d'incidence, offrant des capacités d'expertises indéniables.

Cette technique présente néanmoins une sensibilité importante à certains paramètres associés à la reconstruction, notamment la vitesse dans le matériau et l'écartement des sondes. La maîtrise de ces paramètres nécessite un soin particulier, faute de quoi la sensibilité de l'examen risque d'être dégradée très notablement. Il est donc nécessaire de procéder à des étalonnages soignés sur des cales représentatives avec des géométries et des matériaux connus en opposition avec une technique TOFD conventionnelle, beaucoup moins sensible à ces paramètres et autorisant un étalonnage sur des échos de géométrie (onde latérale ou écho de fond) sur la pièce examinée.

## 8. Conclusions

Une vision industrielle de l'intérêt de diverses technologies utilisées avec une technique TOFD a été présentée.

La technique TOFD associée à une reconstruction TFM permet de répondre de manière industrielle à certaines limitations d'une technique TOFD conventionnelle.

Elle s'avère néanmoins sensible à certains paramètres de reconstruction et nécessite des réglages et étalonnages soignés.

A l'inverse, la technique TOFD conventionnelle conserve tout son intérêt par sa simplicité de mise en œuvre et sa bonne robustesse vis-à-vis des paramètres de mise en œuvre.

## Remerciements

Nous tenons à remercier ici le CEA/STXN pour le financement de ces travaux et en particulier Mr Dupont De Dinechin pour son soutien et son exigence.

## Références

[1] 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.

[2] NF EN ISO 10863 (2011) : Contrôle non destructif des assemblages soudés - Contrôle par ultrasons - Utilisation de la technique de diffraction des temps de vol