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TITRE : ETUDE POUR LA MISE EN ŒUVRE DE LA METHODE ACFM POUR LA MAINTENANCE DES CAISSES ALUMINIUM TGV DUPLEX

AUTEUR : Jean-Charles GHIELMINI - SNCF - Agence d’Essai Ferroviaire

CO-AUTEURS : Eric KEMPF - SNCF - Technicentre Industriel de Bischheim Paolo MARTINS - SNCF - Agence d’Essai Ferroviaire

CONFERENCIERS : Jean-Charles GHIELMINI - SNCF - Agence d’Essai Ferroviaire Eric KEMPF - SNCF - Technicentre Industriel de Bischheim

RESUME :

Les contrôles END sur les caisses aluminium TGV duplex sont actuellement effectués par ressuage lors des opérations de grande maintenance. Avant de procéder à ces examens, il est nécessaire de réaliser des opérations de décapage très contraignantes pour retirer les revêtements de protection de type peinture. Dans le but de s’affranchir de ces contraintes, la SNCF a souhaité étudier la possibilité d’adapter et d’employer la méthode ACFM (Alterning Current Field Measurment) sur l’aluminium en s’appuyant sur les investigations déjà réalisées sur acier. La finalité est de réduire les coûts de maintenance en supprimant le décapage et faciliter la réalisation des essais non destructifs. L’étude a pour objectif de déterminer le périmètre d’application de cette technique et définir le seuil de détection avec des caractéristiques peintures différentes. Les contraintes de mise en production sont également décrites et examinées.

JOURNEES COFREND 2017

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1 - CONTEXTE

Les opérations de grande maintenance des TGV Duplex interviennent généralement après quinze années de service commercial. Elles permettent de donner une seconde vie au TGV grâce aux travaux de révision, de rénovation, de modification et de modernisation des différentes parties et structures du train. A cette occasion, des contrôles par ressuage sont réalisés sur les caisses en aluminium pour vérifier l’état de santé de la structure. Ces examens permettent de piéger au niveau des joints soudés des fissures de fatigue débouchantes pouvant migrer en pleine tôle et générer des dommages importants sur le matériel. Les zones concernées par ces contrôles sont multiples et de formes géométriques différentes. A ce jour, seule la méthode par ressuage est qualifiée en maintenance ferroviaire pour le contrôle d’organes en aluminium. Elle demeure fiable pour la détection de fissures de fatigue dans des zones ciblées. Cependant, avec le développement et l’industrialisation des technologies innovantes et alternatives aux méthodes connues, le Technicentre Industriel de Bischheim a souhaité étendre les investigations de l’application ACFM des organes mécano-soudés acier initiées en 2012 aux composants aluminium. L’établissement a jugé pertinent de s’appuyer sur l’étude précédente avec notamment, la méthodologie d’essai, l’équipement de contrôle à disposition, les éprouvettes d’essais puis les résultats concluants qui ont conduit à la qualification de la méthode pour la maintenance ferroviaire d’organes en acier.

De plus, cette orientation s’intègre pleinement dans la stratégie de maintenance de la SNCF pour plusieurs raisons qui visent à :

- S’affranchir des contraintes techniques, sécuritaires et environnementales pour la production, qui sont inhérentes aux opérations mécaniques ou chimiques de préparation des surfaces avant le contrôle par ressuage.

- Diminuer le temps d’immobilisation d’une rame TGV en réduisant les temps de

contrôle. - Réduire ou supprimer l’utilisation de produits chimiques nécessaires à la réalisation

des contrôles ressuage car ils doivent respecter les règles d’hygiène et de sécurité du personnel et obtenir un avis favorable de la cellule toxicologique.

Toutes ces contraintes impliquent des coûts d’investissements importants pour maîtriser les règles de protection de l’environnement et du personnel puis la qualité de la préparation des liaisons soudées des caisses aluminium avant contrôle.

2 - OBJET

Ce document présente les problématiques actuelles auxquelles l’établissement est confronté, le cadre de l’étude, les résultats d’essais, les conclusions techniques sur la mise en œuvre éventuelle de la méthode en production puis les orientations et perspectives. Le but de ce projet consiste à réaliser des essais de faisabilité de type laboratoire et en production, déterminer les limites de la méthode en fonction des exigences de détection puis identifier ses avantages et inconvénients. Il permettra également de statuer sur son déploiement en milieu opérationnel suivant les spécificités de la maintenance ferroviaire. La finalité de l’étude est d’identifier des pistes qui permettront de s’affranchir du décapage mécanique et de l’utilisation de produits chimiques en garantissant la détection de défauts critiques pour les caisses en aluminium des TGV duplex.

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3 - ILLUSTRATIONS ZONES A CONTROLER ET FISSURATION S

Ci-dessous, quelques exemples de zones à contrôler en maintenance.

Caisse-caisse haut Pied barre antiroulis Liaison longrine

Potence haut Potence bas Montant socle berceau

Exemples de fissuration :

Côté porteur

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4 - PROBLEMATIQUE

Les contrôles par ressuage interviennent principalement pendant les opérations mi-vie, lorsque les caisses sont désolidarisées des autres parties ou structures de la voiture (bogies, climatisation, aménagement intérieur…). Parfois, le ressuage est aussi employé lors des visites périodiques des niveaux 2 et 3 de maintenance de la norme Afnor lorsqu'il y a une suspicion de fissuration suite à une anomalie inattendue (choc, problématique de conception, sollicitations mécaniques importantes, corrosion…). Malgré le fait que cette méthode soit fiable et adaptée à cette maintenance, de nombreuses contraintes poussent l’ingénierie à étudier le développement d’une technologie alternative en remplacement de la méthode actuelle avec pour but de s’affranchir des aspects contraignants suivants :

� Techniques : la préparation de la surface des zones à contrôler implique une maîtrise du procédé de décapage mécanique pour ne pas détériorer la surface et/ou mater les défauts débouchants recherchés lors de l’examen.

� Sécuritaires : le décapage mécanique nécessite le port d’EPI spécifiques tels que

masque scaphandre pour les poussières, un équipement épais, lourd et chaud en période estivale. Le contrôle par ressuage implique l’utilisation de produits chimiques qui doivent être qualifiés par des N3 et systématiquement validés par la cellule toxicologique de la SNCF sans contre-indications pour une utilisation en production avec des équipements adaptés (masques aérosols, EPI spécifiques).

� Environnementaux : le pénétrant et le révélateur sont des produits chimiques,

volatils et très souvent à base pétrolière. Ils doivent être référencés, suivis en interne, stockés dans des endroits adaptés et employés avec précaution.

Le management de la qualité de tous ces aspects génère des coûts indirects de gestion, validation et qualification très onéreux pour l’entreprise.

5 - CHOIX DE LA METHODE

Il y a un panel limité de méthodes END connues ou alternatives à ce jour qui permettent de contrôler des joints soudés en aluminium en garantissant la détection de fissures de fatigue plus ou moins importantes dans différentes directions. Le choix s’est orienté vers la méthode ACFM (Alternating Current Field Measurement) malgré le faible nombre d’applications industrielles connues sur le marché. Les résultats concluants sur les joints soudés acier et la proposition du fournisseur concernant le développement d’une sonde aluminium ont conduit la SNCF à tester la faisabilité de l’application. Par ailleurs, l’ACFM est une méthode qui ne possède pas de certification COFREND, cependant une formation est indispensable pour appréhender l’interprétation du signal. En parallèle de l’étude, d’autres investigations ont débuté sur les courants de Foucault notamment avec le déploiement de sondes multiéléments qui semblent aujourd’hui pouvoir répondre aux problématiques de lift-off et de sensibilité trop accrue des défauts. En effet, l’ACFM n’est pas ou peu influencée par ces aspects, elle est plutôt concentrée sur les fissures de fatigue, ce qui correspond principalement aux défauts recherchés en maintenance ferroviaire.

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6 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

6.1 - Définitions et principes Définitions : L’ACFM (Alternating Current Field Measurement) est basée sur la mesure absolue du champ magnétique en surface. Il est produit par un champ magnétique induit et uniforme parallèle à la surface de la pièce. Ce champ magnétique induit est généré par un courant alternatif induit dans la peau du matériau, lui-même diffusé par la sonde ACFM. Un logiciel va exploiter et traiter les variations de champ magnétique mesurées à la rencontre d’un défaut pendant le déplacement de la sonde. Principes opérationnels : Une sonde ACFM est placée sur la surface à inspecter qui va détecter et mesurer les perturbations du champ magnétique. Deux composantes de ce champ magnétique sont mesurées. La première donne des informations sur la profondeur du défaut ; la seconde donne des informations sur la position de la fin de chaque défaut. Les deux signaux développés sont alors utilisés ensemble pour confirmer la présence d’un défaut et pour mesurer (à l’aide d’un algorithme) la longueur et la profondeur approximative de ce défaut. Interprétations opérationnelles et représentativité des indications de défaut : Grâce au passage de la sonde sur une indication de défaut type linéaire, le courant électrique va avoir un comportement particulier aux extrémités de ce dernier. Il sera dévié sur les côtés du défaut, générant une rotation des lignes de courant qui induit un champ magnétique dans la direction Z (représenté par le signal Bz). Au centre du défaut, les lignes de courants seront déviées en dessous, ce qui va réduire la concentration de champ magnétique dans la direction X en surface de la pièce (représenté par le signal Bx).

Perturbation du champ électrique provoquée par un défaut Par la suite, l’interprétation de l’indication de défaut est réalisée avec les données générées par la sonde et l’exploitation des informations techniques issues du logiciel. La représentativité de l’indication du défaut est retranscrite au travers de trois signaux : Bx, Bz et un traitement de la composante Bx/Bz.

Retranscriptions des données enregistrées lors du passage sur une indication de défaut

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6.2 - Particularités liées à la sonde pour organes en aluminium Les informations ci-dessous sont issues des données fournisseur :

� La détection aisée de défaut est possible jusqu’à une épaisseur de 1 mm, elle devient plus difficile avec une épaisseur supérieure, (pour l’acier épaisseur maxi de 5 mm).

� La sonde est composée de deux capteurs (Bx et Bz) séparés contrairement à la sonde acier, d’où la présence d’un retard traduit par un léger décalage entre le signal Bx et Bz correspondant à la profondeur et longueur du défaut.

� Le « papillon » a une forme plus aplatie, pas régulière comparée à celle obtenue sur les organes acier.

� L’interprétation se fait principalement avec les composantes Bx et Bz. � Le champ magnétique est plus concentré en largeur et en profondeur ; ainsi plusieurs

passages sont nécessaires pour effectuer le contrôle total du cordon de soudure. � La largeur de la zone contrôlée est beaucoup plus faible (5 mm soit 2,5 mm de part et

d’autre) :

� La géométrie particulière de certaines pièces peut provoquer des zones à effet de bord, il faudra alors utiliser des sondes adaptées ou une méthode END alternative.

6.3 - L’équipement ACFM L’équipement est constitué de :

� Un appareil A.C.F.M AMIGO® chargé d’exciter la sonde et d’en recueillir la réponse. � Un micro-ordinateur assurant, avec un logiciel spécifique, le pilotage de l’appareil. � Un logiciel permettant l’affichage des signaux et le dimensionnement des indications

à l’aide d’un modèle mathématique. � Une ou plusieurs sondes ACFM avec câble et rallonge. � Un câble reliant la sonde à l’appareil AMIGO®. � Un témoin de vérification (qui ne constitue pas une pièce étalon de contrôle). � Sonde mono-éléments de fréquence de 50 kHz en forme de crayon spécifique pour

des structures en aluminium.

Equipement ACFM

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7 - CADRE DES ESSAIS

Un périmètre préalablement défini permet de cadrer précisément le projet d’étude avec notamment, le lieu d’application, le matériel, le personnel, les échantillons, la méthodologie, les traçabilités des essais, puis les phases d’essai qui conduiront à la réalisation de l’étude dans de bonnes conditions.

� Personnel : agents certifiés niveaux 2 et 3 COFREND/CFCM en magnétoscopie et ressuage.

� Matériel : équipement Amigo + sonde crayon 50 kHz spécifique aluminium.

� Maquettes avec défauts artificiels : représentatives d’assemblages soudés bout à bout et en angle avec des défauts artificiels situés en pied et milieu de cordon compris entre 3 et 20 mm de longueur.

� Maquettes avec défauts réels provoqués : représentatives d’assemblages soudés bout à bout et en angle, avec des fissures situées en milieu et pied de cordon avec migration en pleine tôle ou présentes sur toute l’épaisseur de la tôle (défaut traversant). Leur longueur est comprise entre 4 et 65 mm (exemple ci-dessous).

Exemple de maquettes bout à bout et en angle avec défauts réels provoqués

Exemple de maquettes bout à bout et en angle avec défauts réels provoqués

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� Revêtement de protection : la plupart des maquettes comportant les défauts artificiels sont recouvertes de peinture. Leur épaisseur varie de 200 à 1600 µm.

� Méthodologie : un opérateur sonde et un opérateur analyste, choix du positionnement et de l’inclinaison de la sonde, méthode d’analyse des signaux avec ressenti des agents de N2 et N3.

� Traçabilités : tableau répertoriant les résultats obtenus pour chaque maquette, tous les défauts de chaque maquette avec annotation de couleur variable en fonction du résultat obtenu suivant les critères de détectabilité.

Le code couleur défini préalablement pour l’aspect détectabilité est le suivant :

TCE : trouvé cas d’école, signal propre et idéal T : trouvé, signal clair, détection aisée D : doute, présence d’une ou deux composantes avec faible amplitude NT : non trouvé

Les essais se déroulent en plusieurs étapes :

� Etape 1 : Essais de laboratoire sur des maquettes aluminium comportant des défauts artificiels réalisés par électroérosion.

� Etape 2 : Essais sur cas réels, sur des maquettes aluminium comportant des défauts réels provoqués représentatifs de cas observés en maintenance tels que des défauts traversant ou défauts en pied de cordon qui migrent en pleine tôle dans différentes directions.

� Etape 3 : Essai de production in situ sur l’ensemble des zones concernées et si possible sur des défauts réels qui auront été détectés lors du contrôle par ressuage.

Nota : les essais de production seront réalisés au second semestre 2017 sur l’ensemble des zones à contrôler des structures aluminium pour s’assurer de la bonne application de la sonde sur les cordons de soudure en fonction de l’encombrement des zones. Ces essais viendront compléter les essais réalisés aux étapes 1 et 2. Ils permettront de conforter les résultats obtenus sur maquette.

8 - RESULTATS D’ESSAIS

8.1 - Préparation avant essais

L’ensemble des maquettes soudées bout à bout et en angle comportant des défauts artificiels et réels sont représentatives de ce qui existe à la SNCF en termes de soudures rencontrées. Préalablement à ces essais, des examens par ressuage ont permis d’établir un point « zero » sur l’ensemble des maquettes en relevant l’aspect dimensionnement des défauts artificiels et défauts réels. Par la suite, différents revêtements de protection ayant une épaisseur de feuil sec variable ont été appliqués sur les assemblages soudés.

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8.2 - Résultats / analyse des maquettes avec défau ts artificiels

Ci-dessous, l’exemple d’un tracé relatif à un passage en pied de cordon avec la présence de plusieurs défauts. Ces essais ont permis d’identifier les critères suivants :

Détectabilité : • Satisfaisante pour les défauts égaux ou supérieurs à 10 mm de longueur sur

l’ensemble du cordon de soudure (pied et milieu de cordon), signal clair caractéristique d’un défaut.

• Partagée pour les défauts inférieurs à 10 mm de longueur, détection correcte ou présence de doute qui se traduit par un signal de plus faible amplitude mais qui est caractéristique d’un défaut, deuxième passage éventuel de la sonde.

• Passable pour les défauts égaux ou supérieurs à 3 mm de longueur, tracé « papillon » négatif ou pour certains cas, il y a une suspicion avec présence d’une petite boucle.

• Médiocre pour les défauts transversaux, difficilement décelables la plupart du temps.

Répétabilité :

• Satisfaisante pour le passage en pied de cordon. • Différente / variable s’il n’y a pas de guidage de la sonde pour le passage en

milieu de cordon.

Reproductibilité : • Les résultats sont satisfaisants car le changement d’opérateur n’influence

pas le résultat obtenu, tout comme la vitesse de déplacement de la sonde et l’inclinaison de la sonde (plus ou moins cinq degrés).

Pour assurer la détection, il est indispensable de passer sur le défaut. Le guidage est donc essentiel pour un passage de la sonde en milieu de cordon et pour garantir des résultats répétables et reproductibles. La vitesse du signal du rapport des composantes Bx/Bz (tracé papillon) augmente lors du passage de la sonde sur un défaut. Ceci doit être un élément déclencheur pour l’opérateur analyste notamment si l’amplitude du défaut est petite. Cependant la détection d’un défaut est principalement liée à la composante Bz. Comparé à l’acier, le tracé papillon est totalement différent, plus aplati avec une tendance nette à faire des boucles en forme de « huit ». Par ailleurs, l’épaisseur de peinture impacte fortement la détectabilité lorsqu’elle est trop élevée.

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8.3 - Résultats / analyse des maquettes avec défau ts réels

L’analyste ayant réalisé l’interprétation des signaux n’avait pas connaissance de la quantité et de la localisation des défauts présents sur les assemblages soudés. Ci-dessous, l’exemple d’un tracé relatif à un passage en pied de cordon avec la présence de deux fissures de 5 mm de longueur.

Tracé complet représentatif d’un passage en pied de cordon avec deux fissures

Ce signal semble difficile à lire car il est différent de ce qui est observé habituellement. En effet, le signal de la composante Bz est en « dents de scie » mais ceci n’empêche pas la distinction de pics de plus grandes amplitudes.

Représentation du défaut n°1 en pied de cordon, 5 m m de longueur.

Défaut 1

Défaut 2

Défaut 1

Lignes pour l'amplitude en profondeur

Ronds pour l’amplitude en longueur

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Représentation focalisée sur le défaut n°2 en pied de cordon

Ci-dessous, l’exemple d’un tracé relatif à un passage en pied de cordon avec la présence de d’une fissure de 25 mm de longueur.

Ci-dessous, l’exemple d’un tracé relatif à un passage en pied de cordon avec la présence de de deux fissures situées en pied de cordon, l’une traversante (sur toute l’épaisseur de la tôle) de 65 mm de longueur correspondant au défaut A et l’autre de 4 mm de longueur correspondant au défaut B.

Défaut 2

Croix pour l'amplitude en profondeur

Ronds pour l’amplitude en longueur

Défaut 3

Tracé complet représentatif d’un passage en pied de cordon avec deux fissures

Défaut A Défaut B

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La forme du signal Bz est particulière étant donné que la fissure est traversante. A première vue ce signal est difficile à lire car il est nécessaire d’apprendre et de se familiariser avec les différents signaux rencontrés. Il est constaté que sur ce tracé, le signal du petit défaut a une amplitude (Bz) beaucoup plus faible comparée à celle de la grande fissure longitudinale. Ci-dessous, l’exemple d’un tracé relatif à un passage en milieu de cordon avec la présence d’une fissure partiellement refermée d’environ 25 mm de longueur.

La fissure en milieu de cordon est difficilement détectable avec la composante Bz, seule la résultante des composantes Bx/Bz en vision direct ou en replay permet d’identifier le défaut.

Ces essais ont permis d’identifier les critères suivants :

Détectabilité : • Très satisfaisante pour les fissures localisées en pied de cordon égales ou

supérieures à 4 mm de longueur pour un passage de la sonde en pied de cordon.

• Moyenne pour les fissures localisées en milieu de cordon, probablement à cause de l’état de surface du cordon de soudure. D’autres essais complémentaires doivent être réalisés pour emmagasiner de l’expérience et se familiariser avec l’interprétation et l’analyse du signal ACFM.

Répétabilité :

• Satisfaisante pour le passage en pied de cordon. • Différente / variable s’il n’y a pas de guidage de la sonde pour le passage en

milieu de cordon.

Reproductibilité : • Les résultats sont satisfaisants car le changement d’opérateur n’influence

pas le résultat obtenu, tout comme la vitesse de déplacement de la sonde et l’inclinaison de la sonde (plus ou moins cinq degrés).

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Le guidage est donc essentiel pour un passage de la sonde en milieu de cordon et pour garantir des résultats répétables et reproductibles. Les résultats sont globalement meilleurs sur les défauts réels, quelle que soit la longueur du défaut (4 mm minimum), la détection est satisfaisante si la sonde passe sur le défaut. Pour un passage en milieu de cordon, il est donc indispensable de s’appuyer sur un guidage pour garantir un déplacement rectiligne. Globalement la détection d’un défaut s’effectue grâce à la lecture directe suivie de l’analyse et de l’interprétation des signaux. L’accélération du signal de la résultante des composantes Bx/Bz ainsi que les pics d’amplitude supérieure aux pics moyens de la composante Bz sont les paramètres clés qui permettent de détecter un défaut. Comparé à l’acier le tracé de la résultante des composantes Bx/Bz est totalement différent, il ne s’agit pas d’un « butterfly », mais plutôt d’un tracé peu commun avec des formes particulières. Les tracés sur défauts réels sont également différents comparés à ceux obtenus sur défauts artificiels des maquettes aluminium. Leur amplitude est généralement importante mais leur forme est aléatoire. Il est donc nécessaire d’appréhender cette lecture pour rechercher des défauts sur aluminium. Cet aspect ne nuit pas à la détection puisque les défauts ont été identifiés à la lecture des différents signaux ACFM.

9 - CONCLUSION

L’ensemble des essais sur maquettes aluminium ont montré des divergences entre les défauts artificiels et réels. Les résultats sont plus concluants sur les défauts réels de type fissure lorsqu’il y a un guidage de la sonde et que celle-ci passe sur la discontinuité. La longueur détectée de la plus petite fissure mesure quatre millimètres. Cette longueur est intéressante puisque les fissures déjà observées en maintenance sur des structures de caisse aluminium sont largement supérieures car elles se propagent rapidement après apparition. De plus, l’effet de bord se fait moins ressentir avec cette sonde. L’analyse et l’interprétation se font principalement avec l’amplitude de la composante Bz et l’accélération du signal en défilé de la résultante des deux composantes Bx/Bz. Cette visualisation du signal en « replay » permet de bien distinguer un défaut parfois pollué par les variations du signal Bz. La composante Bx permet uniquement de compléter l’analyse des deux autres paramètres permettant de déceler un défaut. Cependant, la lecture et la forme des signaux ACFM sur aluminium restent totalement différentes de celles connues sur acier. Il est nécessaire de se familiariser avec les différents tracés pour effectuer une interprétation juste et précise ; et donc programmer de nouveaux essais sur des cas réels. A ce jour seules des sondes mono-élément sont développées, les sondes multiéléments sont étudiées mais pas encore mises au point. Par conséquent, une mise en production est difficilement envisageable à ce jour car la zone contrôlée comprend le cordon de soudure et la zone affectée thermiquement qui mesure environ 20 mm de part et d’autre du joint soudé. A moins que le retour d’expérience du technicentre industriel de Bischheim décide de faire évoluer la maintenance sur ce périmètre de contrôle.

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10 - PERSPECTIVES

Compte-tenu des problématiques et contraintes de préparation des surfaces préalables aux contrôles par ressuage, le technicentre de Bischheim compte poursuivre les investigations pour aboutir au déploiement en production d’une technique END alternative. La méthode ACFM se présentera comme l’une des solutions si le développement de sondes multiéléments est réellement envisagé. La méthode des courants de Foucault se présente également comme une piste sérieuse car des essais ponctuels réalisés récemment ont donné des résultats très intéressants. En effet, ils méritent d’être exploités au travers d’une étude approfondie, d’autant plus, que les sondes multiéléments ont subi de nettes améliorations ces dernières années avec la compensation de « lift-off » pour le contrôle de soudure. Aujourd’hui, les techniques alternatives aux méthodes connues sont nombreuses et présentent de nombreux intérêts sensibles à l’amélioration de la maintenance (environnementaux, sécuritaires, techniques, financiers…). Ainsi, il s’avère nécessaire de les étudier pour s’assurer qu’elles répondent au mieux aux exigences de la maintenance ferroviaire ; ce qui conduirait à adapter et faire évoluer l’approche et la stratégie de maintenance du matériel roulant.