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

# Système de contrôle novateur basé sur la technique UT TOFD

Michel CENCE*, Weina KE, Célia CHEVALLIER

ONET Technologies, Cellule Expertise et CND Avancés, Service R&D, Marseille, France

*Corresponding author, E-mail: mcence@onet.fr

## Résumé

Du fait de ses nombreux avantages en termes de facilité de mise en œuvre, de vitesse d'examen, de performances de détection et de caractérisation des indications, la technique de contrôle TOFD (Time of Flight Diffraction) est de plus en plus utilisée dans le cadre des examens non destructifs de fabrication et de suivi en service d'assemblages soudés.

Cependant, certaines limitations inhérentes au principe de mise en œuvre de l'examen TOFD (notamment en termes d'imprécision de localisation des indications en profondeur et par rapport à l'axe de la soudure) font que cette technique est généralement associée à un examen UT conventionnel ou multiéléments complémentaire impactant de manière significative la durée et le coût des contrôles.

ONET Technologies a fait face au défi en développant un principe de mise en œuvre et d'analyse de la technique TOFD permettant de s'affranchir de ces limitations de localisation des indications sans impacter les durées d'examen. La solution présentée intègre une électronique d'acquisition dédiée, un principe de mise en œuvre novateur et un logiciel d'analyse et de localisation des indications basé sur des algorithmes développés par notre service R&D.

Dans cet article, nous présenterons la solution d'inspection novatrice TOFD+® développée par ONET Technologies et un exemple d'inspection permettant de juger de l'apport de ce principe en termes d'amélioration des performances de localisation et de caractérisation des indications.

## 1. Introduction

La technique d'examen ultrasonore TOFD-T (Time Of Flight Diffraction Technique – En abrégé TOFD) a été mise au point en 1974 par Maurice SILK du National NDT Center à Harwell (Angleterre).

Le principe de détection consiste à balayer la pièce à l'aide d'un couple de traducteurs Emetteur et Récepteur fortement divergents montés en face à face et à visualiser sur une représentation graphique de type BScan les échos de diffraction et de réflexion générés par les défauts localisés dans la zone d'intercorrélation des faisceaux des 2 traducteurs du dispositif TOFD.

Par rapport à un examen ultrasonore conventionnel ou radiographique, le contrôle par méthode TOFD présente un certain nombre d'avantages non négligeables :

* Grande sensibilité de détection,

* Faible sensibilité à l'orientation des réflecteurs,

* Mise en œuvre aisée et peu exigeante en termes de compétences du personnel d'intervention,

* Rapidité d'exécution (Balayage de type translation par opposition au balayage de type créneau d'un examen ultrasonore conventionnel),

* Rapidité d'analyse (Imagerie BScan),

* Alternative au procédé d'examen par radiographie (Imagerie BScan - Absence de contrainte liée aux risques radiologiques),

* Précision de dimensionnement (Longueur et Hauteur),

* Suivi en service de qualité (Imagerie et stockage numérique des informations).

Mais aussi un certain nombre d'inconvénients :

* Grande sensibilité de détection (La haute sensibilité de détection du contrôle par méthode TOFD peut conduire à relever des défauts non notables dans le cadre d'un examen ultrasonore conventionnel),

* Mise en œuvre complexe sur matériaux à structure cristalline grossière,

* Mise en œuvre limitée aux tôles et aux assemblages soudés bout à bout.

* Zones de détection limitée à proximité de la surface de sondage,

* Limite de précision de localisation du défaut (en profondeur et par rapport à l'axe du dispositif TOFD). La localisation précise du défaut n'est possible qu'en ayant recours à un examen ultrasonore complémentaire ciblé au droit du réflecteur détecté (examens TOFD parallèles ou antiparallèles déportés ou UT conventionnels).

**TOFD+®**

Ultrasonic Stereophonic Localization Technique

La solution TOFD+® développée par ONET Technologies permet de répondre efficacement à cette dernière problématique tout en fournissant des éléments d'appréciation complémentaires dans le cadre de la caractérisation de la nature des défauts détectés.
## 2. TOFD conventionnel - Problématique

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 - TOFD conventionnel - Présentation du principe général d'imprécision de localisation</figcaption></figure>

Soit, considérant un défaut plan avec hauteur,

* Ts : le temps de vol de l'écho de diffraction généré par le sommet du défaut

* Tp : le temps de vol de l'écho de diffraction généré par le pied du défaut

* PCS (Probe Center Separation) : la distance entre les points d'émergence des traducteurs émetteur E et récepteur R du dispositif TOFD.

Dans la cadre d'un examen TOFD conventionnel les paramètres ultrasonores disponibles permettent uniquement d'affirmer que le défaut détecté se trouve dans la zone de localisation présentée Figure 10.

Considérant que le sommet du défaut est localisé quelque part sur la portion d'ellipse Rouge et le pied sur la portion d'ellipse bleue :

* Les possibilités de localisation de l'indication sont multiples

* Les possibilités d'orientation α du défaut sont multiples

* les localisations Ys et Yp du sommet et du pied de défaut par rapport à l'axe de la soudure ne sont pas connues avec précision

* La hauteur verticale H du défaut n'est pas connue avec précision

* La profondeur Zs du défaut (Ligament externe HLe entre le sommet du défaut et la surface de sondage) n'est pas connue avec précision

* La distance en le pied du défaut à profondeur Zp et la paroi opposée à la surface de sondage (Ligament interne HLi) n'est pas connue avec précision

* La nature du défaut est difficilement appréhendable

La détermination précise des localisations Ys et Yp et des profondeurs Zs et Zp de chaque composante du défaut et de son orientation α n'est possible qu'en ayant recours à un ou plusieurs examens ultrasonores complémentaires ciblés au droit du réflecteur détecté (UT conventionnels ou examens TOFD parallèle ou antiparallèle déporté).

## 3. Solution TOFD+

### 3.1. Objectifs

La caractérisation ultrasonore d'un défaut est une opération par laquelle ont fait correspondre à l'indication un défaut physique, réel ou présumé, défini par sa nature et son type, sa position, ses dimensions et son orientation. Elle vise les 3 objectifs suivants :

1. Statuer sur l'existence ou non d'un défaut physique réel

2. Définir la nature, le type, la position, les dimensions et l'orientation du défaut, ou, à minima, définir les caractéristiques enveloppes du défaut

3. Evaluer la présomption d'évolution d'un défaut entre plusieurs examens consécutifs

La solution TOFD+ développée par ONET Technologies est pensée pour répondre efficacement en termes de rapport coût/performances aux 3 objectifs de caractérisation.

Elle permet de s'affranchir des limitations liées à l'examen TOFD conventionnel (notamment en termes de localisation des indications) sans impacter les durées d'examen.

Du fait de sa facilité de mise en œuvre et de sa faible sensibilité à la dextérité des opérateurs, la solution permet de se substituer efficacement aux examens ultrasonores manuels contractuels et aux examens ultrasonores complémentaires de caractérisation tout en garantissant un suivi en service précis des indications (enregistrement des données d'acquisition et de caractérisation).

**Fiabilisation les contrôles :**

* Grande sensibilité de détection de la technique TOFD (notamment pour l'examen de chanfreins narrow gap étroits verticaux ou quasi-verticaux)

* Faible exigence de la technique en termes de compétences et de dextérité du personnel d'intervention

**Fiabilisation du suivi en service :**

* Enregistrement numériques des données

**Aide à la justification des défauts détectés auprès des autorités de sureté :**

* Grande précision de dimensionnement, de localisation et de quantification de l'orientation des défauts

* Visualisation du défaut sur une vue en coupe de l'assemblage
## Optimisation de la dosimétrie, les coûts et les plannings d'intervention :

* Facilité de mise en œuvre

* Rapidité des contrôles

* Contrôle et caractérisation simultanées

### 3.2. Principe général

La solution TOFD+, bien qu'applicable à l'examen de tôles et dans certains cas précis de piquages ou d'assemblages Tube/Accessoire a été pensée pour le contrôle de soudures bout à bout.

Elle est bâtie de manière à combiner les avantages des balayages TOFD parallèles et déportés en un seul passage antiparallèle centré.

**Nota** : Lorsque la largeur de la zone contrôlée ou les performances de détection en paroi interne attendues ne permettent pas de réaliser l'examen en un seul passage centré, le système permet de gérer les balayages déportés.

### 3.3. Electronique de contrôle

Le principe général de la solution est basé sur l'exploitation combinée des signaux de 4 traducteurs TOFD (2 émetteurs et 2 récepteurs) utilisés en simultané.

Le dispositif TOFD+ est composé de 4 sondes TOFD haute sensibilité très fortement amorties, montées et câblées conformément aux schémas ci-après.

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

Les électroniques d'acquisition disponibles sur le marché n'autorisant pas la mise en œuvre de cette configuration, ONET Technologies a développé une solution spécifique intégrant une carte ultrasonore multivoies conventionnelles multiplexées haute puissance (350 volts à l'émission).

La solution TOFD+ développée par ONET Technologies est un système complet composé :

* D'une électronique d'acquisition spécifique avec entrée codeur (4 voies UT conventionnelles multiplexées),

* D'un PC tactile à écran haute définition,

* D'un logiciel d'acquisition spécifique,

* D'un logiciel d'analyse spécifique.

L'ensemble est embarqué dans une valise de chantier durcie intégrant une source d'alimentation par batteries.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 2 - TOFD+ Electronique d'acquisition</figcaption></figure>

### 3.4. Logiciel d'acquisition de données

Le logiciel d'acquisition a été développé par la société A2i conformément au cahier des charges ONET Technologies. La liste des principales fonctionnalités est présentée ci-après :

* Réglages du dispositif TOFD+

* Positions des 4 sondes

* PCS des 4 sondes

* Fréquence de récurrence

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 3 - TOFD+ Paramètres de réglage du dispositif TOFD+</figcaption></figure>

* Réglages des voies TOFD+

* Retard base de temps

* Longueur base de temps

* TCG (Time corrected Gain pour chaque voie)

* Gain

* Fréquence des sondes

* Filtre Passe bande

* Moyennage

* Enregistrement des Setup

* Réglages des modalités d'acquisition

* Calibration de l'encodeur

* Pas d'acquisition

* Longueur de scan

* Paramétrage des règles de nommage automatique des fichiers d'acquisition en fonction du nom générique de la zone contrôlée, de la longueur de scan, du pas de recouvrement, du nombre et de la position des éventuels passages déportés
## Acquisition de données

* Lancement d'acquisition

* Enregistrement des données

* Effacement - Remplacement d'acquisitions

* Extraction de fichiers d'acquisition

## 3.5. Logiciel d'analyse des données TOFD+

Le logiciel d'analyse spécifique développé conformément au cahier des charges ONET Technologies permet de relire les données d'acquisition TOFD+ et de déterminer la position et les dimensions précises des défauts sur une vue en coupe de la pièce contrôlée (Avec représentation du chanfrein dans le cas d'un assemblage soudé).

Le logiciel d'analyse gère les pièces planes et cylindriques.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 4 - Logiciel d'analyse - interface générale</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 5 - Logiciel d'analyse - Curseurs</figcaption></figure>

## 3.6. Localisation et caractérisation des défauts

L'exploitation des informations relevées sur 2, 3 ou 4 BScan permet d'obtenir de nombreuses informations utiles pour l'identification de la nature de l'indication et son éventuelle analyse dans le cadre de calculs de résistance à la rupture, notamment :

* Epaisseur réelle de la pièce

* Position Ys du sommet de défaut

* Position Yp du pied de défaut

* Position Zs du sommet de défaut

* Quantification du ligament externe HLe

* Position Zp du pied de défaut

* Quantification du ligament interne HLi

* Extension en hauteur verticale H du défaut

* Orientation du défaut (Angle α en °)

* Position en X du défaut

* Longueur L du défaut

* Largeur du défaut (Extension en Y)

* Positionnement du défaut sur une vue en coupe

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 6 - Solution TOFD+ (Localisation du défaut après reconstruction sur la vue en coupe de l'assemblage)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 7 - TOFD+ - Tableau de paramètres du défaut</figcaption></figure>

Les défauts reconstruits et les informations associées sont enregistrés via l'enregistrement de la position de l'ensemble des curseurs dans la base de données du logiciel d'analyse. Le nom de chaque défaut est éditable et un clic sur le nom d'un défaut enregistré ouvre automatiquement le fichier de données associé avec l'ensemble des curseurs d'analyse repositionnés sur les BScan utilisés.

## 4. Conclusions

Les paramètres ultrasonores fournies par l'analyse des données TOFD+ permettent de caractériser avec précision les dimensions, la localisation et l'orientation des défauts.

* La localisation précise de l'indication est connue

* L'orientation α du défaut est connue

* les localisations Ys et Yp du sommet et du pied de défaut par rapport à l'axe de la soudure sont connues avec précision

* La hauteur verticale H du défaut est connue avec précision

* La profondeur du défaut Zs (Ligament externe HLe entre le sommet du défaut et la surface de sondage) est connue avec précision

* La distance entre le pied du défaut à profondeur Zp et la paroi opposée à la surface de sondage (Ligament interne HLi) est connue avec précision

* Du fait de la connaissance de la position précise et de l'orientation précise du défaut sa nature est aisément appréhendable.
La solution de mise en œuvre et d'analyse TOFD+ développée par ONET Technologies permet de s'affranchir des limitations liées à un examen TOFD conventionnel et de se substituer efficacement aux contrôles ultrasonores manuels contractuels et complémentaires de caractérisation sans impacter les durées d'examen.

La solution permet de garantir un suivi en service précis des indications (traçabilité des résultats) et de fournir l'ensemble des éléments nécessaires au calcul de la tenue en service d'un défaut par mécanique de la rupture.

## Remerciements

Nous tenons à exprimer notre reconnaissance et remercier :

Le soutien du projet FRANCE RELANCE

Volet : Compétitivité des entreprises, Mesure phare : Soutien à l'investissement et la modernisation de l'industrie.

<figure><img src="image_10.png" /></figure>

La société A2i pour l'intégration de l'électronique et pour le développement des logiciels d'acquisition et d'analyse des données TOFD+.

<figure><img src="image_11.png" /></figure>