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Les Journées COFREND 2014 Bordeaux, Palais des Congrès, 20 au 22 mai 2014

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LES ONDES ULTRASONORES GUIDEES HAUTE FREQUENCE GENEREES PAR LASER COUPLEES A UNE RECEPTION

PIEZOELECTRIQUE OU EMAT APPLIQUEES AUX CONTROLES DE SURFACES DIFFICILES D’ACCES

Eric Auguste CRESCENZO1 ; Arnaud PELLETIER2 ; Franck WOJDA2

1 CONVERGENCE INNOVATIONS – La Maladière – 71 Route de Chalon 71590 GERGY – France – Tél. : 03.85.45.46.40. – Email : [email protected]

2 IXTREM – 7 rue du Verger 71530 SASSENAY – France – Tél. : 03.85.45.46.40 – Email : [email protected]

Conférencier : Eric Auguste CRESCENZO – CONVERGENCE INNOVATIONS RESUME Le contrôle de pièces à géométries complexes et/ou à surfaces inaccessibles : assemblages soudés, cavités, zones sous support, traversées de cloisons rendent les contrôles de surface par ressuage, magnétoscopie, courants de Foucault difficiles voire impossibles de mise en œuvre y compris en utilisant des transducteurs US et CF déformables (faibles rayons de courbure, point triple (coin) par exemple). La génération d’ultrasons par laser favorise l’apparition d’ondes guidées directionnelles et en particulier d’ondes rampantes (creeping waves) facilitant la détection et la caractérisation en profondeur des défauts. Par ailleurs, il a été démontré l’efficacité du contrôle en impactant directement le cordon de soudure sans nécessité de l’araser ou encore des zones à géométrie complexe pour générer des ondes ultrasonores guidées. Dans ce cas, l’analyse des signaux ultrasonores en réception s’effectue dans les parties planes adjacentes ou à plus grande distance à l’aide d’un transducteur à ondes de Lamb ou de Rayleigh. Nous présentons les équipements développés et les résultats obtenus sur différents cas de figures possibles démontrant l’intérêt de cette technologie que l’on peut considérer suffisamment mature pour des applications industrielles où les CND classiques trouvent leur limite.

1. INTRODUCTION Depuis plusieurs années, nous nous intéressons à la génération d’ultrasons par laser et à la réception par des moyens appropriés : EMAT (Electromagnetic Transducer), transducteurs piézoélectriques à couplage sec et enfin par interférométrie laser. En effet, il y a un besoin avec l’évolution des matériaux et de la complexité des problèmes de CND à traiter, de s’orienter vers le développement de nouvelles technologies. Dans ce contexte, le contrôle par ondes ultrasonores guidées moyenne et haute fréquence (500KHz à 10MHz) se trouve être une technique intéressante à développer, comme le fait de trouver des alternatives à la magnétoscopie et au ressuage. Dans ce dernier cas, le contrôle par ondes ultrasonores de surface (ondes de Rayleigh) est tout indiqué pour la détection de défauts fins de surface et/ou sous peau. Comme nous le verrons ci-après dans les détails, la génération d’ondes ultrasonores guidées de Lamb, Rayleigh et de tête (creeping waves) s’effectue principalement par transducteurs à

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angle variable ou préférablement en utilisant un appareillage de CND par ultrasons multiélément.

Figure 1 – Principales techniques utilisées pour générer des ondes ultrasonores guidées

Néanmoins, des limitations technologiques subsistent pour exploiter pleinement le contrôle par ondes guidées moyenne et haute fréquence ; notamment lorsque la géométrie des pièces devient complexe malgré l’utilisation possible de transducteur multiélément à support flexible. Pour mener à bien nos développements, nous avons eu recours aux dispositifs de soutien à la recherche de l’ANR (Agence Nationale de la Recherche) [1] dans le cadre du projet ECO CND : « Les ondes guidées ultrasonores précurseurs des nouvelles écotechnologies CND » ; et Européen LIFE+ Projet GREEN TESTING : « Make your Non Destructive Testing greener by new eco-friendly practices and technologies » [2] pour favoriser leur mise en application industrielle au travers d’actions de faisabilité et de démonstration impliquant des industriels de différents secteurs d’activité comme DASSAULT AVIATION, DCNS, ALSTOM, SNCF…

2. BREF ETAT DE L’ART Les publications relatives aux ondes ultrasonores guidées générées par EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) et par transducteurs magnétostrictifs ainsi que par matrice de transducteurs piézoélectriques à couplage sec sont relativement abondantes. Des systèmes commercialisés par Guided Ultrasonics Limited (GUL), Plan Integrity (filiale de TWI) et Southwest Research Institute sont actuellement disponibles sur le marché. Indépendamment d’être très onéreux, ces équipements sont plutôt dimensionnés pour la recherche de corrosions et de défauts de taille relativement importante sur des distances de 50 à 100m. Ces transducteurs sont basses fréquences 50 à 200KHz ; ce qui limite la taille des défauts détectables à 1 à 3% de la section d’un pipe. Des brevets récents définissent d’autres moyens de contrôle mieux adaptés à la détection de défauts plus fins par ondes guidées (Rayleigh et Lamb principalement) utilisant la génération d’ultrasons par laser, avec une réception ultrasonore par transducteurs couplés à l’air ou encore un interféromètre laser [3] à [8].


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Certains de ces brevets mentionnent l’intérêt d’optimiser la forme de l’impact laser afin de favoriser la génération d’ondes ultrasonores guidées de différents modes de vibration et fréquences [9] à [12]. La technique laser/EMAT [13] semble être une technique particulièrement performante qui a déjà été mise en application industrielle pour le contrôle à chaud des billettes. Enfin, la thèse de Dominique CLORENNEC [14] met en évidence l’intérêt d’utiliser des ondes de Rayleigh pour la détection de défauts de surface et aborde les principales façons de traiter le signal.

3. DEMARCHE SCIENTIFIQUE DU PROJET ECO CND

La figure 1 ci-après résume l’organigramme des travaux de recherche réalisés par les

partenaires du projet ECO CND sous la houlette d’IXTREM coordinateur scientifique.

L’objectif principal était de développer un nouveau moyen de CND mettant en œuvre une génération d’ultrasons par laser couplée à une réception par EMAT et par transducteurs

piézoélectriques. Les performances du démonstrateur réalisé, dans le cadre de cette étude,

ont été validées sur des blocs soudés présentant des défauts artificiels et naturels provoqués

ainsi que des composants laminés, forgés et moulés présentant des défauts réels.

Figure 2 – Organigramme des travaux de recherche ECO CND

4. RAPPELS CONCERNANT LE GENERATION D’ULTRASONS PAR IMPACT LASER

Il est connu qu’un impact laser moyennant de rester dans le domaine thermoélastique en évitant l’ablation du matériau pour empêcher sa destruction partielle en surface permet de générer :


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Des ondes de volume : OL inclinées à 60° et OT inclinées à 30° selon un lobe de répartition en énergie dépendant des conditions d’impact (longueur d’onde et énergie du laser, forme de l’impact, matériaux contrôlés). Voir figure 3 ci-après.

Mais aussi des ondes rampantes (creeping waves encore appelées ondes de tête) et de Rayleigh.

Dans le cadre de ce projet, nous nous sommes intéressés à la génération d’ondes de surface

(ondes de Rayleigh) dont la modélisation a été confiée à l’IEMN-DOAE.

Les figures 4 et 5 mettent bien en évidence l’intérêt de cette modélisation pour caractériser l’influence de la forme de l’impact laser sur la directivité de l’onde de Rayleigh émise.

Figure 3 – Principaux types d’ondes ultrasonores générées par impact laser

Figure 4 – Simulation de la propagation des ondes ultrasonores

excitées par laser (IEMN-DOAE)


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Figure 5 – Diagrammes de directivité des ondes de Rayleigh générées

pour l’aluminium pour différentes sources lignes (IEMN-DOAE)

Plus la longueur de l’impact augmente, plus la génération d’ondes de Rayleigh devient directive

5. DEVELOPPEMENT DE LA SOURCE LASER

HOLO3 et IXTREM ont associé leurs compétences pour développer ensemble une source

laser adaptée au contrôle non destructif. Leur choix s’est porté sur une source du commerce

qu’il a fallu interfacer et adapter avec un bras optique de façon à obtenir des impacts linéiques de différentes dimensions jusqu’à 20mm de long et 100µm d’épaisseur. Les principales caractéristiques de cette source laser sont : laser Nd:YAG 1064nm / 532nm,

10mJ/pulse, fréquence de tir réglable 1 à 15Hz, durée des pulses inférieure à 10ns.

Figure 6 – Figure représentant les principaux éléments constitutifs

de la source laser développée

6. REALISATION D’UN DEMONSTRATEUR IXTREM a réalisé un démonstrateur permettant des investigations CND par ondes de Rayleigh et de Lamb moyenne et haute fréquence utilisant une génération d’ultrasons par impact laser :

La source laser décrite ci-avant équipée de son bras optique articulé.


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Un ensemble de transducteurs EMAT, piézoélectriques à angle variable, et à angle fixe modifiés de façon à pouvoir opérer avec un système de couplage semi-humide permettant une mise en œuvre aisée des contrôles par ondes de surface.

Des électroniques US mono et multivoie de sa fabrication y compris un appareillage multiélément MX de chez OLYMPUS.

Figure 7 – Démonstrateur développé dans le cadre du projet ECO CND

7. QUELQUES RESULTATS OBTENUS AVEC CE DEMONSTRATEUR

7.1 Structures soudées a) Résultats obtenus avec un transducteur piézoélectrique d’angle à couplage semi-humide

permettant de générer des ondes ultrasonores de surface (technique pulse/écho) :


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b) Résultats obtenus avec une source laser en émission et un transducteur piézoélectrique

d’ondes ultrasonores guidées de surface en réception ; cas où l’impact laser s’effectue dans le cordon de soudure :

c) De façon analogue à ci-dessus, résultats obtenus en réflexion mais en positionnant

l’impact laser au niveau du métal de base


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Conclusions : Cette nouvelle technique de CND mettant en œuvre un laser dont le faisceau a été mis en forme (impact linéique) pour générer des ondes de Rayleigh de façon directionnelle associé à une réception avec un transducteur piézoélectrique de type composite équipé d’une adaptation d’impédance acoustique (évitant l’apparition d’indications parasites liées à des dépôts de couplant acoustique devant le transducteur) donne des résultats très satisfaisants et au moins équivalent à ceux obtenus par ressuage et magnétoscopie [1] [2].

7.2 Composants non soudés

Nous joignons à titre indicatif quelques résultats obtenus sur des composants sans soudure, de forme plus ou moins complexe obtenus dans le cadre du projet Européen LIFE + « Green Testing ».

Exemple de pièces contrôlées par la méthode laser/transducteur piézoélectrique à couplage semi-humide :

Exemple de résultats obtenus en ondes de Rayleigh et de Lamb :


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Nous constatons que la génération d’ultrasons par impact laser permet d’induire facilement par effet thermoélastique des ondes de Rayleigh et de Lamb de différentes fréquences même sur des pièces à géométrie complexe qu’il est aisé de détecter avec un transducteur piézoélectrique à couplage pratiquement sec afin d’éviter l’apparition d’échos parasites dus à des résidus de couplant. Comme pour les assemblages soudés, cette technique donne d’excellents résultats par sa facilité de mise en œuvre.

8. CONCLUSIONS Dans le cadre des projets ECO CND (ANR) et GREEN TESTING (LIFE+), nous avons pu réaliser et tester un démonstrateur permettant la génération d’ultrasons par impact laser et la réception par transducteur piézoélectrique à couplage pratiquement sec (ce que nous dénommons également couplage semi-humide) ; voire par EMAT à condition de travailler sur des structures aluminium, leurs alliages, et autres matériaux présentant une conductivité électrique suffisante. Des travaux de modélisation réalisés par le CEA LIST partenaire du consortium ECO CND, il s’avère que la détection d’ondes ultrasonores guidées moyenne et haute fréquence par EMAT reste problématique à cause de la complexité des phénomènes physiques mis en jeu (notamment les phénomènes de magnétostriction). Depuis 2014, nous avons pris la décision, au sein de la plateforme « Innovations 4 Physiques - I4ϕ », de développer un vibromètre laser à réinjection optique en collaboration avec IXTREM

et le laboratoire OPTIMA de L’Université de Joseph FOURIER de GRENOBLE. Cette nouvelle technique d’interférométrie laser est sensible à des variations sub-micrométriques du chemin optique laser-cible. Cette nouvelle technologie, actuellement limitée aux fréquences inférieures à 50KHz, devrait dans les toutes prochaines années permettre le contrôle des matériaux ferromagnétiques par ultrasons sans contact dans la gamme de fréquence 50KHz – 5MHz. Cette méthode présente plusieurs avantages:

- Le laser joue le rôle de source et de détecteur ce qui nous permet de nous affranchir du bruit de détecteur, le rapport signal sur bruit est alors limité par le bruit quantique du laser.

- Le montage est auto-aligné ce qui lui prête une simplicité et facilité de mise en œuvre.

Oscillogramme obtenu en ondes de Rayleigh


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- Indépendamment de l’application au contrôle non destructif par ultrasons sans contact, cette technique permet de réaliser des images de réflectivité, de profilométrie ou de vibrations en conditions difficiles : à travers des milieux épais et diffusants (fumée, brouillard), de cibles distantes de quelques mètres ou de cibles peu réfléchissantes ou diffusantes.

Figure 8 Schéma du montage LOFI : Laser Optical Feedback Imaging (Laboratoire OPTIMA)

Figure 9 : Système optique LOFI (dimensions 45 cm x 60 cm) : Montage de Laboratoire ayant servi à

valider ce principe de mesure (Laboratoire OPTIMA)

Figure 10 : Tour mobile contenant le système optique, les différentes alimentations électriques et les appareils de mesure de laboratoire qui ont servi à une première validation des performances de cette

technologie (Laboratoire OPTIMA)

Image d’amplitude et de phase

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Chaîne dedétection

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A titre d’exemple, nous montrons qu’il est possible d’utiliser la méthode LOFI pour détecter sans contact la présence de défauts dans des structures. La démonstration est faite ici sur la détection de fissures dans une plaque de béton. Le principe repose sur l'imagerie de l'amplitude d'une vibration imposée au voisinage d'une fissure présupposée. Un pot vibrant excite la structure à une fréquence adaptée à la nature et au volume de cette structure (ici 150Hz). Cette vibration se propage dans la structure créant une amplitude de vibration à la surface qui doit être de l'ordre du micromètre pour être détectée. La présence d'une fissure en surface ou au voisinage de la surface se traduit par une variation de l'amplitude de la vibration à la fréquence d'excitation. Le système de détection est insensible à la vibration naturelle de la structure, la détection se faisant à la fréquence d'excitation.

Fig.11 : Application du LOFI au contrôle non destructif. Gauche : Vue de la face arrière de la dalle en

béton; Centre vue de la face avant de la dalle en béton (fissure non visible) ; Droite : Image LOFI de

phase (l’image de la fissure verticale apparait à la zone de transition des franges)

REMERCIEMENTS :

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet ECO-CND soutenu par l’ANR et du projet GREEN-TESTING soutenu dans le cadre du programme Européen LIFE+.

Face avant Face arrière Vibration de la face avant


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9. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Site IXTREM – www.ixtrem.fr Projet ANR – Rubrique documentation pour différents articles concernant la technologie des ondes ultrasonores guidées

[2] Site GREEN TESTING – www.greentesting.fr Project LIFE+

[3] Shant KENDERIAN, B.Boro DJORDJEVIC, E.Robert GREEN, Donatella CERNIGLIA - "Essais aux ultrasons, hybride et au laser de lignes de chemins de fer" - The Johns Hopkins University, 34th & Charles Streets, Baltimore, MD 21218 (US) 10/06/2004

[4] DIMARZIO, Charles A.; ROY, Ronald A.; MURRAY, Todd W.; BLONIGEN Florian J.; NIEVA Luis A.; SUI Lel; MAGULURI Gopi - "Optimisation de la détection d’émissions acousto-photoniques dans les milieux non transparents au moyens d’un système de détection basé sur un cristal de photo-réfraction" - WO/2005/06997

[5] DRAKE Thomas ; DUBOIS Marc - "Laser à fibre optique pour essai aux ultrasons et laser" - WO/2008/011055

[6] SINHA, Dipen N. - "Détection de caractéristiques sans contact utilisant des ondes de lamb ultrasonores" - WO/2009/042126

[7] MALYNKA, Sergly A.; GORIACHKIN, Dmytro V.; KALSHOV, Oleksandr V.; NADYA, Volodymyr, L.; GORIACHKIN, Igor V. - "Procédé et dispositif pour détecter et évaluer des paramètres de discontinuités dans la couche superficielle de produits métalliques" - WO/2008/079100

[8] KENDERIAN, Shant; DJORDJEVIC, B. Boro; GREEN, Robert, E.; CERNIGLIA, Donatella - "Laser-Air Hybrid Ultrasonic technique for non-contact testing of railroad tracks" - WO/2004/048966

[9] Jong-Ho Park, Joon-Hyun Lee, Min-Rae Lee - “The propagation characteristics of laser-generated guided wave in carbon steel plate with wall-thinning” - Asia-Pacific Conference on NDT, 5th – 10th Nov 2006, Auckland, New Zealand

[10] Ian J. Collison, Theodosia Stratoudaki, Matt Clark, Mike G. Somekh - “Measurement of elastic nonlinearity using remote laser ultrasonics with Cheap Optical Transducers and dual frequency surface acoustic waves” - International Congress on Ultrasonics, Vienna, April 9 – 13, 2007, Session S01: NDT nonlinear elastic wave spectroscopy

[11] Bong-Min Song, Jin-Hyun Kim, Joon-Hyun Lee - “Application of laser-generated ultrasound to evaluate wall thinned pipe” - IVth NDT in PROGRESS, November 05-07, 2007, Prague, Czech Republic

[12] Do-Youn Kim, Seung-Joon Lee, Joon-Hyun Lee - “Application of laser-generated ultrasound for evaluation of wall-thinning in carbon steel elbow” - 17th World Conference on Non-destructive Testing, 25-28 Oct 2008, Shanghai, China

[13] I Baillie, P Griffith, X Jian and S Dixon - “Implementing an ultrasonic inspection system to find surface and internal defects in hot, moving steel using EMATs” - The 45th Annual British Conference on NDT, Stratford-upon-Avon, UK, September 2006

[14] Dominique CLORENNEC - "Génération et détection optiques d’ondes guides sur une pièce cylindrique. Application au contrôle non destructif sans contact" - Thèse de doctorat pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Paris 7 – Ecole Doctorale : Physique Macroscopique – Spécialité : Acoustique Physique – Janvier 2002

http://www.ixtrem.fr/

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