Le contrôle par ultrasons

1. Principe du contrôle

Les ultrasons sont des ondes mécaniques générées à partir d'un élément piézo-électrique excité à une fréquence comprise entre 2 et 5 MHz. Cet élément est

souvent fixé d'un côté sur une semelle en matière plastique et de l'autre à un amortisseur, l'ensemble constituant le traducteur.

Les ultrasons sont transmis dans la pièce à contrôler par l'intermédiaire d'un milieu de couplage, et se propagent à une vitesse qui dépend du matériau

(Figure 1).

Figure 1 : propagation des ondes

Lorsque les ultrasons rencontrent un, un écho revient vers le traducteur (Figure 2). Cette énergie mécanique réfléchie est transformée en signal

électrique par l'élément piézo-électrique et se signale par un écho sur le système de visualisation de l'appareil à ultrasons. La position de l'écho permet

de déterminer la profondeur de l'indication dans la pièce et d'en apprécier le caractère volumique ou non volumique. a : Epaisseur de la pièce à contrôler,

b : Distance palpeur-défaut.

Figure V.2: propagation des ondes

2. Avantages du contrôle par ultrasons

Le contrôle ultrasonore tient actuellement dans l'industrie une place

importante au sein des essais non-destructifs. Il présente les avantages

suivants:

Accès nécessaire d’un seul côté de la pièce,

Contrôle possible de compacité de la totalité d'un volume donné,

Puvoir de pénétration important,

Précision dans la localisation des défauts,

Rapidité,

Très sensible pour la détection des défauts plans,

Estimation de l'importance d'une indication à l'aide de son pouvoir

réfléchissant (contrôle en réflexion) ou de l'atténuation produite (contrôle en transmission),

Automatisation et traçabilité possibles à l'aide de moyens d'imageries

Aucune précaution particulière sur les plans hygiène et sécurité.

Dès sa mise en application, de nombreuses critiques concernant les

difficultés d'interprétation, son manque de justesse et de fidélité, ont freiné son développement. Aujourd'hui, une amélioration des matériels, associée à une plus grande compétence des utilisateurs, qui ont amené cette technique

à donner d'excellents résultats, sous certaines précautions d'emploi.

Pour répondre à ces besoins, l'opérateur doit être capable à chaque instant de contrôler l'appareillage et son évolution dans le temps. Dans ce but, des blocs d'étalonnage et de réglage ont été mis au point, ainsi que des

recommandations décrivant leur utilisation.

Cet ensemble de blocs d'étalonnage permet :

D'estimer les possibilités des appareils et de leurs accessoires, les

palpeurs en particulier.

De régler la puissance et la sensibilité à un niveau convenant au travail à

exécuter.

De reproduire dans le temps des conditions de réglage déjà.

De comparer entre eux des matériels différents et d'éliminer ceux qui ne

peuvent pas convenir.

Pour l'examen de pièces de formes complexes, le contrôle de très grandes

séries, etc..., on peut réaliser des «modèles de contrôle». Ce sont des modèles de réglage, obtenus à partir d'une pièce saine, dans laquelle on a usiné des défauts artificiels représentatifs de ceux que l'on peut rencontrer

éventuellement dans les pièces. Ces modèles sont très appréciés des utilisateurs et permettent un contrôle par simple comparaison.

3. Domaine d'application

Le contrôle par ultrasons est applicable à de nombreux matériaux pourvus qu’ils ne présentent pas une trop forte atténuation. Les matériaux métalliques, thermoplastiques, composites, céramiques peuvent être contrôlés

par ce procédé.

Les ultrasons permettent la détection de tous défauts engendrant une variation locale des propriétés ultrasonores de la pièce. Le contrôle des soudures peut être effectué entre -20°C et 150°C.

Le contrôle ultrasonore est notamment utilisé pour le contrôle :

Des pièces moulées : retassures, vermiculures, variations locales de structure, ségrégations, porosités,

Des pièces forgées : retassures, criques, repli de forge,

Des produits laminés et étirés : dédoublures, ségrégations,

En service : les défauts apparaissant en service tels que fissures ou

corrosions,

Des soudures avant et après traitement thermique. Le contrôle par

ultrasons peut être appliqué avec profit aux soudures réalisées sur les aciers non alliés et faiblement alliés de nuance ferritique ainsi que sur

les alliages légers.

Le contrôle des soudures sur aciers austénitiques est réalisable, mais nécessite la mise au point d’une procédure particulière.

Contrôle avant soudage : Il est nécessaire d'effectuer, dans le cas des tôles et

des produits forgés, un contrôle par ultrasons pour détecter des défauts

pouvant gêner le contrôle après soudage (délaminage, ségrégation, anisotropie, dans le cas des tôles ; retassures, criques, repli de forges dans le cas des produits forgés).

Contrôle après soudage : le contrôle ultrasonore est bien adapté pour

le contrôle des épaisseurs soudées comprises entre 6 et 100 mm mais est adaptable en dehors de cette fourchette. Grâce aux techniques d'examen mises

en œuvre, tous les types de soudure peuvent être examinés (bout à bout, d'angle et à recouvrement).

4 Propriétés des faisceaux ultrasoniques

Les ondes émises par le palpeur se propagent à travers un matériau en un faisceau peu divergent.

Pour une surface d'émission plane, la plus grande partie de l'énergie ultrasonore est localisée dans un cône dont le demi-angle d'ouverture

est donné par la formule de Fresnel:

D

λ .K = sinα avec K = 1,2 (valeur pratique)

D : diamètre de l'élément sensible du palpeur. λ : longueur d'onde dans le matériau.

Exemple : Emission d’ondes longitudinales de fréquence 5 MHz dans l’acier.

La vitesse moyenne de propagation des O.L. dans l’acier est c = 5 850 m/s La longueur d’onde pour une fréquence de 5 MHz est :

mm 1,17 = 000 000 5

000 850 5 =

f

c = λ

c : célérité

f : fréquence Les demi-angles d’ouverture sont alors :

a - élément sensible D = 20 mm K = 1,2

°4 = α oùd' 0,07, = 20

1,17 . 1,2 =

Dλ .K = α sin

b - élément sensible D = 10 mm

°8 = α oùd' 0,14, = 10

1,171,2. =

Dλ K. = αsin

D = 20 mm D = 10 mm

α = 4° α = 8°

5. Mouvement des ondes Les ondes sonores, audibles ou ultrasoniques, sont des vibrations

mécaniques impliquant un mouvement du milieu dans lequel elles se propagent. Les ondes sonores de fréquence élevée se comportent d'une manière semblable à celle des vibrations électromagnétiques. Cependant, les propriétés

physiques du milieu doivent aussi être prises en considération, puisque ce milieu est lui-même en mouvement.

Une onde sonore peut se propager dans tout matériau à comportement

élastique, c'est-à-dire dans lequel il existe une force s'opposant au déplacement des particules et tendant à ramener ces particules dans leur position initiale.

Des considérations d'inertie montrent que dans de tels milieux, la

particule dépasse sa position initiale en revenant, et qu'une force contraire prend naissance, tendant à l'y ramener. Ce mouvement oscillatoire se prolonge

tant qu'une énergie d'excitation suffisante est appliquée, mais lorsque la force d'excitation est supprimée, le mouvement diminue progressivement, l'énergie étant absorbée par les frottements internes.

5.1. Les ondes longitudinales

Lorsque les ondes sonores se propagent à l'intérieur des solides,

le déplacement des particules dans une direction provoque des déplacements dans d'autres directions (Figure 5).

Pour les matériaux de grandes dimensions on doit prendre en considération du coefficient de Poisson. La vitesse des ondes longitudinales

dans les matériaux de grandes dimensions est:

( ) ( )2σ - 1 . σ + 1σ - 1 .

ρE=V0

V0 : Vitesse des ondes longitudinales, E : Masse spécifique des matériaux,

ρ: Masse spécifique, σ : Coefficient de Poisson.

Figure 5 : Direction de vibration des particules

La vitesse correspondante dans les plaques minces (longueur d'onde beaucoup plus grande que l'épaisseur de la plaque) est:

( )σV 2

- 11.

ρE=p

5.2. Les ondes transversales

Comme la fréquence se trouve augmentée dans les plaques de faibles épaisseurs, et que la longueur d'onde se trouve donc diminuée, il se produit une variation de Vp dans le sens de la diminution, jusqu'à ce que, λ se rapprochant

de la valeur λ = 2.e (e étant l'épaisseur de la plaque), Vp se rapproche de la valeur (vitesse des ondes de cisaillement) :

Les ondes de cisaillement sont caractérisées par un mouvement de particules qui est transversal par rapport au sens de propagation des ondes.

Leur vecteur de déplacement se trouve dans un plan normal à la direction de la propagation et elles sont tournantes, comme le montre la Figure 6.

Le milieu subit une distorsion, mais il n'y a pas de variation de volume.

( ) ρ

μ =

σ + 1 21 .

ρE = Vs ≈Vp

E : Module de Young (kg /m 2) : Module de cisaillement du solide,

: Coefficient de Poisson (Tableau V.1).

Figure 6 : Ondes de cisaillement

6. Production d'ultrasons par piézoélectricité

Une lame convenablement de cristal de quartz produit de l'électricité

quand elle est soumise à une traction ou à une compression. La même lame soumise à un courant électrique s'allonge ou se rétréci" suivant le sens du courant (Figure 7).

Piézo : du grec piezein : presser,

Piézoélectricité: électricité par pression.

Figure 7: Phénomène de piézoélectricité

7. Réflexion à l’interface de deux matériaux

La détection des défauts dans les matériaux est basée sur le principe suivant:

- Une onde qui rencontre un milieu différent de celui dans lequel elle

se propage se réfléchit sur l'interface. - Cependant, toute l'énergie de l'onde n'est pas renvoyée vers l'émetteur,

une partie de l'onde continue sa propagation dans le second milieu.

La caractéristique qui détermine l'importance de la réflexion est

l'impédance acoustique spécifique Zs

Zs = c . ρ

ρ : masse volumique en kg/m3,

c : célérité en m/s

Si l’onde frappe une surface avec un angle deux phénomènes se produiront : la réflexion et

la réfraction

De plus, il se produit aussi un phénomène appelé conversion de mode,

c’est-à-dire que le faisceau incident se transforme en un autre mode. La

réfraction est le phénomène par lequel une onde sonore subit un changement

d’angle après son passage d’un milieu à un autre ayant des propriétés physiques

différentes du premier milieu. Dans le cas le plus général, quatre ondes séparées

sont produites; une onde de chaque type est réfractée.

Les vitesses des deux types d’onde étant différentes, les ondes ont des

angles de réflexion et de réfection différente.

RSin

iSin

Descarte de loi laselon Relation

V2

V1

réfraction de indicel' appeléest RSin

iSin

Par exemple, pour l’incidence d’une onde longitudinale entre eau et acier, selon

la valeur de l’angle α, on a :

- production de 2 modes L et T si :

- sin α<V1/V2L=1500/5850 soit α <15° ; disparition de l’onde longitudinale

pour α ≈ 15° ;

- présence de l’onde transversale seule de 15° à : arc sin

V1/V2T=1500/3250=27°30

- Réflexion totale du faisceau dans l’eau pour α > 27°30’ sauf pour l’angle

α= arc sin V1/V2R=31° qui correspond à la création des ondes de Rayleigh

en surface.

Ces considérations sur les angles et les modes sont très importantes en

pratique, à la fois pour générer des ondes transversales, maîtriser l’interprétation

des échos de sondage.

T V

Sin

L V

Sin

T V

Sin

L V

Sin

2 2 1 1

ˆ

Snell de loi la selon Relation

μ i

8. Le couplant

Si on applique un palpeur directement sur une pièce, la réponse sera fort

mauvaise sur l’oscilloscope. Les ultrasons ne passent pas dans l’air, il faut

utiliser un intermédiaire entre le palpeur et la pièce. Celui-ci chasse l’air entre le

palpeur et la pièce en plus d’amoindrir les pertes causées par les irrégularités de

surface. Les couplants peuvent être liquides, semi-liquides, pâtes. Un bon

couplant satisfera les conditions suivantes :

1) Il doit posséder une impédance acoustique comprise entre celle du palpeur

et celle du spécimen.

2) Le couplant doit mouiller à la fois les surfaces du palpeur et de la pièce et

doit chasser l’air entre eux.

3) Le couplant doit s’appliquer facilement, être homogène et exempt de bulle

d’air.

4) Le couplant doit adhérer facilement aux surfaces mais être également

facile à enlever

5) Le couplant doit chimiquement inerte avec le palpeur, la pièce et

l’operateur.

Le choix du couplant dépend surtout de l’état de surface de la pièce à

inspecter. Dans tous les cas, le couplant sera aussi mince que possible.

9. Contrôle par contact

Le traducteur est directement placé sur la pièce à contrôler. La liaison

acoustique est assurée par une couche d’agent de couplage : graisse, huile, colle

cellulosique, gels spéciaux dont l’épaisseur est de l’ordre du dixième de

millimètre. Cette technique, dite de palpage, est surtout employée lors de

contrôles manuels. Elle nécessite l’intervention d’un opérateur pour le

déplacement du traducteur. La constance du couplage, et donc du contrôle, n’est

pas assurée.

10. Contrôle en immersion

Le traducteur est situé à une certaine distance de la pièce ; le couplage est

assuré par un liquide, habituellement de l’eau. Il peut s’agir :

- d’une immersion totale. Le traducteur et la pièce sont entièrement

immergés dans une cuve de contrôle ;

- d’une immersion locale. Le traducteur et la partie de la pièce qui est

contrôlée sont reliés entre eux par un volume de liquide, grâce à des

dispositifs spéciaux.

11. Méthodes par transmission

La méthode par transmission est appliquée comme méthode d’investigation

complémentaire, ou bien pour le contrôle de certains matériaux de structure

complexe (matériau composite). Pour des pièces contrôlées de forme simple :

tôles, etc., la présence d’un défaut (manque de matière, discontinuité acoustique,

etc.) provoque une diminution ou une disparition de l’énergie ultrasonore

transmise.

12. Contrôle en ondes transversales

Il est presque exclusivement réalisé en ondes transversales sous incidence

pour détecter et localiser :

- les défauts volumiques (par exemple, soufflures, retassures, inclusions de

laitier…) ;

- les défauts plans sensiblement perpendiculaires à la direction d’examen

(par exemple, fissures, manques de fusion).

Des calculs sont nécessaires pour positionner le palpeur lors d’un examen par

ce type d’ondes afin de permettre à l’onde de balayer la surface ciblée, si ce qu’on

appelle un band et deux bands

13. Conclusions

Le contrôle par ultrasons demande une bonne expérience de la part des

agents chargés de sa mise en œuvre. Il peut être réalisé de façon manuelle ou

automatique. Des progrès importants ont été obtenus grâce à l’introduction de

l’informatique et l’électronique qui ont contribué fortement à faire évoluer les

matériels et les modalités d’application et de traitement.

Le contrôle par ultrasons est souvent considéré comme complémentaire du

contrôle radiographique. Il tend même à le remplacer, lorsque cela est possible,

pour s’affranchir des problèmes de sécurité posées.