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TITRE : INTERET DE L'UTILISATION DE SONDES MULTI-

ELEMENTS EN TOFD

AUTEUR : RECOLIN Patrick - DCNS Research

CO-AUTEUR : MARIE Brice - DCNS Research

CONFERENCIER : RECOLIN Patrick - DCNS Research

RESUME Dans le cadre de l’étude de l’examen par une techni que TOFD de soudures de forte épaisseur, DCNS a étendu l’utilisation de la méthod e SwingScan déjà utilisée sur soudures FE en matériau austénitique. Pour rappel, cette technique utilise un couple de sondes multi-éléments pour réaliser un ex amen TOFD. Il a pu ainsi être montré que la création de lois f ocales adaptées permet de faire bénéficier la technique TOFD des avantages bien con nus de la déflexion/focalisation électronique permise par la technologie multi-éléme nts. Les essais réalisés montrent le gain significatif o btenu sur la couverture de zone. La technologie multi-éléments permet ainsi de diminuer le nombre de couples TOFD et le nombre de balayages décalés à passer sur une sou dure de forte épaisseur.

JOURNEES COFREND 2017

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1- CONTEXTE Les examens TOFD sont de plus en plus utilisés tant à DCNS qu’à l’extérieur pour remplacer ou compléter les examens ultrasonores conventionnels ou la radiographie. La technique TOFD est une technique ultrasonore utilisant deux capteurs placés en vis-à-vis de chaque côté du joint et travaillant en émission/réception. Dans la plupart des cas, le volume de métal à inspecter requis par les codes nécessite de passer plusieurs couples pour garantir une inspection exhaustive. Chaque couple est caractérisé par un espacement (le PCS) et un angle de réfraction. Les référentiels précisent les modalités de définition de ces différents passages. DCNS a montré depuis plusieurs années que l’utilisation de sondes multi-éléments était possible pour réaliser un examen TOFD. Dans la plupart des cas, ces sondes sont utilisées pour réaliser un balayage linéaire en gardant un angle constant pour augmenter la largeur du volume inspecté. Dans le cadre de la qualification d’une application TOFD sur un joint FE en acier austénitique, DCNS a également développé une technique originale de déflexion angulaire baptisé Swing Scan et permettant d’augmenter à la fois le volume inspecté en largeur et en profondeur tout en conservant l’ouverture maximale de la sonde [1]. L’idée développée dans cet article est d’élargir cette approche en envisageant un outil générique capable de générer les lois focales nécessaires. Ce type de lois ne peut être généré aujourd’hui par les logiciels commerciaux. Ce rapport présente donc l’outil spécifique développé. Les configurations obtenues sont ensuite testées sur des configurations d’examens et leurs performances discutées.

2- PRINCIPE

Le principe physique est de faire croiser les faisceaux ultrasonores d’émission et de réception en différents lieux du volume à inspecter, en conservant l’écartement et la position des sondes. Les deux sondes sont supposées identiques, avec la même ouverture électronique. L’outil de création des lois focales est une simple feuille EXCEL utilisant une macro pour générer le fichier de lois. Les lois générées par l’outil sont des fichiers .law adaptés à du matériel ZETEC. Les données d’entrée pour calculer les lois de retards sont :

• PCS : écartement entre les points d’émergence des capteurs • Pmin, Pmax : profondeurs minimale et maximale de la zone de focalisation. La zone

est supposée centrée entre les deux capteurs • Largeur : largeur de la zone de focalisation • volume de focalisation : il est découpé en p cellules suivant la largeur et q cellules

suivant la profondeur. Il comporte donc n=pq cellules. • ensemble de lois focales présentant les lois de retards pour une déflexion

électronique monocapteur. Il est généré par le logiciel ULTRAVISION. Chaque loi précise un offset par rapport au point d’émergence capteur et un retard.

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La figure 1 précise les différentes grandeurs.

Figure 1 : principe de déflexion

Un calcul géométrique permet d’obtenir les angles de réfraction a1 à an et b1 à bn permettant d’assurer un croisement des faisceaux dans chaque cellule du volume de focalisation. Les lois focales pour chaque couple (ai,bj) sont construites en utilisant les lois de focalisation générées par ULTRAVISION en déflexion électronique. A chaque loi est associé un offset égal à la différence des points d’émergence de chacune des lois, un angle apparent correspondant à l’angle entre le point d’émergence et le point de croisement des faisceaux et un retard correspondant à la moyenne des retards des deux lois. Le code autorise la focalisation ou pas des faisceaux émission et réception au point de croisement.

3- CONDITIONS D’ESSAIS Les essais sont réalisés avec un couple de sondes IMASONIC avec les caractéristiques suivantes :

• Barrettes linéaires 32 éléments • Pas inter-élément : 0,75 mm • Espace inter-élément : 0,1 mm • Hauteur des éléments : 10 mm • Fréquence 5 MHz +/-10% • Bande passante : > 70% • Longueur de pulse : < 500 ns • sabot OL45°

PCS

a1

an

b1

bn

Pmax

Pmin

largeur

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La chaîne ultrasonore utilisée est une chaîne ZIRCON 32:128 de ZETEC, pilotée sous ULTRAVISION 3.6R5. 4- DEFLEXION DANS LA PROFONDEUR Une première série d’essais est réalisée afin d’évaluer les performances en couverture de zone sur la profondeur de la pièce sur une cale à entailles (figure 2).

Figure 2 : cale à entailles en configuration d’essais

4.1- Ouverture 8 éléments 10 lois focales avec focalisation sont créées avec une ouverture active de la sonde de 8 éléments, se rapprochant ainsi de l’ouverture active des sondes TOFD conventionnelles. Le point de croisement des faisceaux est réalisé tous les 10mm en profondeur jusqu’à 100mm de profondeur. Les angles de réfraction varient donc en conséquence entre 20° et 85°. 3 PCS (70, 100 et 120mm) sont étudiés pour ana lyser leur impact sur la détection des entailles. Un balayage parallèle est réalisé et l’ensemble des lois est fusionné sous ULTRAVISION. Les Bscans obtenus sont présentés figure 3.

PCS70 PCS100 PCS120

Figure 3 : Passage sur la cale à entailles, ouverture 8 éléments

L’ensemble des entailles est détecté quelque soit le PCS. Les PCS 70 et 100 présentent des échos parasites.

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L’origine de ces échos parasites est liée à l’onde latérale OT qui arrive avant l’écho de fond (PCS resserré sur forte épaisseur). Elle apparaît sur des angles faibles (entre L30 et L20) qui sont peu utilisés normalement en TOFD conventionnel (détection écho de pied incertaine en dessous de L35). L’utilisation du multi-éléments semble fortement amplifier cette onde qui est généralement de faible amplitude, à la limite de la détection en conventionnel. On note également une bonne homogénéité des amplitudes obtenues sur les réflecteurs, quelque soit leur profondeur. Pour la même raison, on observe une visualisation très nette des échos associés aux modes combinés (TL/LT). Pour ce qui est de la détection de l’écho de pied des entailles, on note une baisse de l’amplitude de détection des lors que l’angle passe en dessous de 30°. On retrouve ainsi les valeurs théoriques données par Ogilvy et Temple [2]. On note que l’onde latérale disparaît dès lors que l’angle généré est inférieur à L40 quelque soit le PCS. 4.2- Ouverture 32 éléments Un deuxième essai est réalisé avec une ouverture complète de 32 éléments (figure 4).

PCS70 PCS100 PCS120

Figure 4 : Passage sur la cale à entailles, ouverture 32 éléments

Toutes les entailles sont détectées et on retrouve les différents échos liés aux autres modes, bien que moins marqués. Les arches obtenues sont bien mieux définies et présentent des amplitudes plus importantes : ceci est lié d’une part à l’effet de focalisation bien plus efficace avec cette ouverture ainsi qu’à une meilleure maitrise de la déflexion des angles élevés toujours grâce à l’ouverture importante. Il est également intéressant de noter que l’onde latérale disparaît des lors que l’angle généré est inférieur à L60 quelque soit le PCS.

Ces essais peuvent être comparés avec les résultats obtenus avec un couple de capteurs conventionnels (L60, PCS 130 mm, 5 MHz) en figure 5.

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Figure 5 : TOFD conventionnel L60 PCS130

Seules les deux premières entailles sont bien détectées. Un essai est également réalisé afin de comparer les sensibilités en surface sur des entailles débouchantes de hauteur 5 et 3 mm avec deux PCS et deux ouvertures (figure 6).

Entaille H5 Entaille H3

PCS70

ouverture 8

PCS70

Ouverture 32

PCS120

Ouverture 8

PCS120

Ouverture 32

Figure 6 : Sensibilité en surface

On observe assez logiquement que la détection des défauts en surface est favorisée par un PCS réduit : l’entaille de 3 mm est en limite de détection avec le PCS de 70 mm et non détectée avec un PCS de 120 mm. L’ouverture a peu d’influence dans ce cas. Une comparaison avec une acquisition avec des capteurs TOFD conventionnels (5MHz, 6 mm, 70°, figure 7) montre qu’à PCS équivalent, les rés ultats sont comparables.

Figure 7 : TOFD Conventionnel - Entaille H3

Entaille 20 mm

& 25 mm

Entaille 40 mm

& 45 mm

Entaille 65 mm

& 70 mm

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4.3- Conclusions sur la déflexion en profondeur Les essais montrent un pouvoir de déflexion important dans les deux cas d’ouverture testés. Un PCS de 120mm associé à une déflexion permet de facilement aller inspecter à une profondeur de 100mm, ce qui n’est pas le cas avec une configuration conventionnelle (profondeur max de 60mm pour un PCS120 L60). Un sabot légèrement plus incliné (L55 par exemple) permettrait sans doute de gagner en sensibilité en surface sans toutefois détériorer les performances en fond. On constate que les deux ouvertures (8 et 32) permettent de détecter l’ensemble des réflecteurs sur une épaisseur de 100 mm. Dans des configurations de contrôle standard (matériau homogène peu atténuant, épaisseur inférieur à 100mm…), le besoin en énergie n’est pas important et des ouvertures de petites dimensions permettent de détecter les réflecteurs, de défléchir correctement le faisceau tout en conservant des faisceaux divergents (volume inspecté plus important pour un croisement de faisceau et limitation donc du nombre de lois focales). Des cas d’applications plus spécifiques apprécieront des ouvertures plus importantes. Un PCS minimum est à respecter en fonction de la profondeur de contrôle. En effet, l’onde latérale OT (dans le cas d’un petit PCS sur de fortes épaisseurs) peut arriver avant l’écho de fond OL. Dans ce cas cette onde latérale OT masque une zone d’inspection. Voici pour exemple les profondeurs pouvant être inspectées avec les 3 PCS choisis pour l’étude :

• PCS70 : Pmax = 50 mm • PCS100 : Pmax = 75 mm • PCS120 : Pmax = 100 mm

5- DEFLEXION DANS LA LARGEUR L’utilisation du multi-élément pour générer un ou plusieurs faisceaux TOFD permet de créer des croisements de faisceaux à différentes profondeurs mais aussi à différents index (largeur du joint) sans avoir à changer de configuration physique (sonde, sabot, écartement…). L’étude de la déflexion en profondeur a permis de privilégier une ouverture (8 éléments) et un PCS (120mm) pour une application générale. 90 lois focales sont crées avec une ouverture active de 8 éléments. Le point de croisement des faisceaux est réalisé tous les 10mm en profondeur jusqu’à 100mm de profondeur. Le croisement des faisceaux est aussi réalisé entre les index -40 mm et +40 mm avec un pas de 10mm sur chaque palier en profondeur. Les angles de réfraction varient donc en conséquence entre 11° et 87° théorique.

Figure 8 : Passage sur cale à entailles

Un passage sur la cale à entailles (figure 8) montre que la déflexion dans la largeur permet de détecter les entailles sur 100mm en largeur. Cela signifie qu’un décalage de 50mm du couple TOFD par rapport aux entailles permet encore leur détection. L’ouverture de 8 éléments permet donc de défléchir correctement le faisceau pour l’application.

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Le rapport signal/bruit général est largement supérieur à 12dB sur la totalité du volume inspecté. La notation de l’ensemble des entailles est donc garantie. Le balayage « swing scan » présente également l’avantage de générer une vue de côté (D-Scan) qui permet de positionner les indications dans le plan du joint. Cette caractérisation n’est pas réalisable en TOFD conventionnel, à moins de repasser sur une indication déjà détectée et analysée en réalisant un balayage parallèle in situ. L’optimisation des lois focales est à réaliser en fonction des performances de détection et de vitesse d’acquisition. En effet, 90 lois focales ont été générées pour cet essai. Selon les besoins (couverture de zone, taille de faisceau), il sera possible de réduire le nombre de lois focales pour gagner en vitesse d’acquisition et minimiser la taille des fichiers d’acquisitions. Si l’option faisceau focalisé est choisie, il sera sans doute nécessaire de réduire le pas de balayage des lois focales (faisceau focalisé de plus petite taille). Une attention particulière doit être portée sur la zone morte en fond. En effet le balayage « swing scan » permet de contrôler une largeur plus importante, mais la zone morte liée à l’écho de fond croît toujours avec le décalage d’une indication par rapport au centre du couple. Ce paramètre devra être évalué pour toute création de configuration. A titre d’exemple, sur la configuration de l’essai la zone morte maximale en fond (index -50mm ; profondeur 100mm) est de 15mm. L’agrandissement du PCS est le seul paramètre pouvant réduire cette zone morte “géométrique”. 6- CARACTERISATION La vision de l’imagerie en mode fusionné empêche évidement toute analyse en phase des signaux. En cas de détection, l’image fusionnée indique pour chaque point la loi focale la plus énergétique : une analyse en phase pourra alors simplement être réalisée en reprenant l’image Bscan “brute” de la loi identifiée. 7- EVALUATION DU GAIN ASSOCIE A UNE UTILISATION TOF D-PA L’application qui parait la plus judicieuse pour une comparaison est le contrôle des joints de coque de sous-marin. Cette application fut la première application lancée à DCNS en fabrication. La comparaison est établie pour une épaisseur et un joint représentatif. La procédure TOFD préconise deux couples :

• un couple de capteurs piezo-composites, 5 MHz, diamètre 6 mm, montés sur sabots OL60°, avec un écartement entre points d’émergence de 120 +/- 2 mm.

• un couple de capteurs piezo-composites, 10 MHz, diamètre 3 mm, montés sur sabots OL70°, avec un écartement entre points d’émergence de 75 +/- 2 mm.

Le réglage en sensibilité est réalisé sur cale à entailles : le couple à 70° doit détecter les entailles entre 0 et 20 mm et le couple à 60° entre 15 et 50 mm. Cette sensibilité est vérifiée sur une cale à gradins, chaque gradin contenant une entaille débouchante (figure 9) :

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Figure 9 : Réglage en sensibilité : couple à 70° (g auche), couple à 60° (droite)

Le volume contrôlé comprend le métal fondu ainsi qu’une largeur de ZAT de 5 mm de part et d’autre du joint. En prenant en compte les configurations des joints et les tolérances, ceci amène à contrôler un volume enveloppe centré sur l’axe du joint et de largeur 56 mm en face de palpage et 42 mm en face opposée. La couverture du volume à inspecter exige de faire trois passes (voir figure 10).

• Deux séparées de 20 mm, faites avec le couple écarté de 120 mm centré aux positions +10 mm et -10 mm par rapport à l’axe soudure.

• La troisième passe sera faite avec le couple 10MHz 70° écarté de 75 mm centré par rapport à l’axe du joint.

Figure 10 : Balayages décalés Les essais réalisés avec le TOFD-PA PCS70 et ouverture active de 8 éléments semblent être les plus pertinents pour cette application. Les lois sont adaptées pour respecter la couverture de zone prescrite par la procédure. Paramètres des lois focales :

• 3 Balayages en index : -15 / 0 / +15 • 4 Balayages en profondeur : 10 / 20 / 30 / 40

Total de 12 lois focales L’image figure 11 présente le passage TOFD-PA sur la cale jusqu’à l’épaisseur considérée dans ce contrôle (40mm) avec la fusion de l’ensemble des lois focales.

Axe soudure Balayage 2

Balayage 1

10 mm

10 mm

10

Figure 11 : Réglages en sensibilité en TOFD PA

La détection est donc totale sur l’épaisseur et la largeur de contrôle. Il est ensuite nécessaire de s’assurer de la hauteur d’entaille minimum détectable en fond sur la largeur d’inspection donnée dans la procédure (42mm). En effet chaque couple TOFD possède une limite de détectabilité en fond situé à l’extrémité de la zone à couvrir (dans notre cas +21mm et -21mm par rapport au centre du joint). La hauteur d’entaille détectable quelque soit sa position dans la largeur du joint peut être connu théoriquement par calcul. Dans notre cas, une entaille de hauteur 2,7mm sera détectable même si elle se situe à la limite de la zone couverte. Pour le vérifier, un balayage parallèle est réalisé sur une entaille de hauteur 3mm se situant à la profondeur considérée de 40 mm (figure 12). Cela va permettre d’illustrer les performances théoriques de détection en fond.

Figure 12 Balayage parallèle sur entaille en peau interne

Suite à l’acquisition, la sensibilité de détection en fond est légèrement trop faible (38mm pour 42mm à couvrir). Il serait nécessaire d’augmenter légèrement le PCS pour obtenir une meilleure résolution en fond tout en ne dégradant pas la sensibilité en surface.

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En conventionnel, un couple TOFD est souvent dédié au contrôle sous les premiers millimètres sous la surface. Cette zone étant particulière (zone grise), la comparaison en sensibilité des deux méthodes est importante (figure 13). Entaille Hauteur 5mm Entaille Hauteur 3mm

TOFD-PA 5 MHz

TOFD 10 MHz L70 PCS 70

Figure 13 : Balayage parallèle sur entaille en peau externe

La sensibilité de détection est équivalente, seule la résolution sur la base temps parait plus compressée sur cette zone particulière. En conclusion, les essais montrent qu’il est possible de remplacer le passage de 3 couples TOFD conventionnels par un couple TOFD-PA, en garantissant des performances équivalentes. 8- CONCLUSIONS Un outil simple de création de lois focales permet de générer des ensembles de lois focales pour des configurations TOFD-PA visant à assurer des croisements de faisceaux focalisés ou pas à différents endroits du volume contrôlé pour un seul PCS. Les essais réalisés montrent que les configurations créées permettent une extension des zones couvertes à la fois en profondeur et en largeur tout en conservant un excellent rapport signal/bruit. De plus, il présente l’avantage de situer les indications dans le plan du joint. Le gain en terme de nombre de passage a pu être démontré sur un exemple industriel.

REFERENCES [1] P. RECOLIN S. RIVALIN B. MARIE - Examen partiel en TOFD d’une soudure austénitique – Congrès COFREND 2011 [2] J.A. Ogilvy and J.A.G. Temple – Diffraction of elastic waves by cracks : application to time-of-flight inspection – Ultrasonics nov. 1983 p. 259-269