Cours de Contr le Non Destructif (CND) : Courants de Foucault, Ultrasons, Radiographie et Thermographie

Chapitre 5 - Le Courant de Foucault (EC)

La m thode de contr le par courants de Foucault (Eddy Current - EC) est une technique non destructive applicable exclusivement aux mat riaux conducteurs de l’ lectricit . Son utilisation principale consiste d tecter des d fauts d bouchants (en surface) ou sous-jacents (proches de la surface). Au-del de la recherche de d fauts, cette m thode permet de r aliser des mesures de conductivit lectrique des mat riaux ainsi que des mesures d’ paisseur de rev tement.

Le principe de fonctionnement repose sur l'utilisation d'une bobine ou sol node parcourue par un courant alternatif. Ce courant g nre un champ magn tique alternatif. Lorsqu'on approche cette bobine d'un mat riau conducteur, le champ magn tique alternatif induit des courants lectriques circulaires au sein de la pice, appel s courants de Foucault. La circulation de ces courants se manifeste physiquement par un chauffement de la matire d l'effet Joule. En CND, on exploite la relation entre l'intensit de ces courants et les caract ristiques de la pice. Les variations de forme, d’ paisseur, de conductivit lectrique ($\sigma$), ou de perm abilit magn tique ($\mu$) modifient la r partition des courants.

Physiquement, le bobinage parcouru par un courant ($I_1$) produit en un point un champ magn tique dont l'intensit d pend du courant lui-m me, du nombre de spires, du diamtre des spires et de la longueur du bobinage. L'introduction d'une plaque m tallique entrane l'apparition de courants de Foucault selon la Loi de Lenz. Ces courants induits possdent la m me fr quence que le courant inducteur ($I_1$) et g nrent leur propre champ magn tique qui s'oppose au champ initial. En cons quence, le bobinage est parcouru par un nouveau courant ($I_2$), ce qui correspond une modification de son imp dance. Lorsqu'une fissure ou un d faut est pr sent, l'intensit et la r partition des courants sont modifi es, alt rant le champ magn tique ($H$) et cr ant un changement mesurable de l'imp dance du bobinage. L'observation se fait par la visualisation des variations d'imp dance sur un oscilloscope entre une zone saine et une zone d fectueuse.

Un appareil de contr le par courants de Foucault doit comporter trois l ments essentiels : une alimentation en courant alternatif de fr quence connue, un circuit de mesure d'imp dance et un systme de visualisation. La phase d'excitation consiste soumettre la pice un champ magn tique variable, g n ralement via une onde sinusodale dont la fr quence varie de quelques Hertz ($Hz$) plusieurs M gaHertz ($MHz$). Le choix de la fr quence est crucial car il conditionne la p n tration des courants dans la profondeur de la pice.

Les variations d'imp dance ($Z - Z_0$) sont influenc es par la perm abilit magn tique relative ($\mu$) du mat riau, sa conductivit ($\sigma$), la fr quence ($f$) du courant et la distance ($D$), aussi appel e lift-off, entre la bobine et la pice. Si l'on maintient ($f$) et ($D$) constantes, l'examen value essentiellement les fluctuations de ($\mu$) et ($\sigma$), qui d pendent de la composition chimique du mat riau. Un ph nomne cl est l'effet de peau : environ $63\,\%$ des courants induits circulent entre la surface et la profondeur de p n tration ($\delta$). Pour atteindre des profondeurs millim triques, on utilise des fr quences sit es entre $10$ et $10^5\,Hz$.

Le mat riel n cessaire inclut un g n rateur num rique multifr quence ($1000\,Hz$ $4\,MHz$), un enregistreur graphique thermique multivoies, un stockage sur disque magn to-optique et un dispositif tireur-pousseur de sonde. Les capteurs varient selon la g om trie : sondes axiales, tournantes ou bobines encerclantes. Les avantages de la m thode incluent une grande sensibilit , la rapidit de contr le et la possibilit d'enregistrer les r sultats. Cependant, elle est limit e aux conducteurs, possde une faible p n tration et s'avre sensible aux ph nomnes perturbateurs comme l' crouissage, n cessitant l'usage d'un talon sp cifique.

Chapitre 6 - Contr le par Ultrasons (UT)

Le contr le par ultrasons repose sur la transmission, la r flexion et l'absorption d'ondes acoustiques se propageant dans la pice. Il s'agit d'un proc d de recherche de manque de matire permettant de localiser et de dimensionner les discontinuit s. La vibration de haute fr quence et courte dur e est g n r e et reue par un traducteur contenant un l ment pi zo lectrique. Cette m thode offre une r solution spatiale lev e et peut d tecter des d fauts en profondeur, bien que la n cessit d'un balayage m canique exhaustif rende le processus relativement lent.

Les ultrasons sont des vibrations m caniques de fr quence sup rieure au domaine audible ($16\,Hz$ $16\,kHz$). On les classe ainsi : les infrasons ($0$ $16\,Hz$), la zone audible ($16$ 16 10^3\,Hz), les ultrasons (16 10^3 16 10^6\,Hz) et les hypersons (> 16 10^6\,Hz). Pour le contr le des m taux, les fr quences utilis es sont g n ralement comprises entre $1$ et $10\,MHz$. La fr quence ($f$) est l'inverse de la p riode ($T$), soit $f = \frac{1}{T}$. La longueur d'onde est d finie par $\lambda = V \times T$.

Il existe trois types principaux d'ondes ultrasonores : l'onde longitudinale (ou de compression) o la vibration est parallle la propagation ; l’onde transversale (ou de cisaillement) o la vibration est perpendiculaire ; et l’onde de surface obtenue par superposition des deux pr c dentes. La vitesse de propagation d pend du mat riau. Pour l'onde transversale, $V_T = \sqrt{\frac{E}{2\rho(1 + \nu)}}$. Pour l'onde longitudinale, $V_L = \sqrt{\frac{E(1 - \nu)}{\rho(1 + \nu)(1 - 2\nu)}}$. L'onde de surface a une vitesse $V_R = 0,9 \times V_T$. Dans l'acier, les valeurs typiques sont $V_T \approx 3243\,m/s$ et $V_L \approx 5867\,m/s$. Dans l'aluminium, $V_T \approx 3226\,m/s$ et $V_L \approx 5660\,m/s$. Le rapport $\frac{V_T}{V_L}$ est quasi constant ($0,55$ $0,57$) ind pendamment du mat riau.

L'imp dance acoustique ($Z$) est d finie par le produit de la masse sp cifique et de la vitesse de l'onde, soit $Z = \rho \times V$. Lors d'une incidence normale l'interface de deux milieux, trois cas se pr sentent : si $Z_1 = Z_2$, la transmission est totale ; si $Z_1 \approx Z_2$, la transmission est partielle ; si $Z_1 \gg Z_2$, la r flexion est totale. Les rapports d'amplitude sont donn s par $\frac{A_r}{A_i} = \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1}$ pour l'onde r fl chie et $\frac{A_t}{A_i} = \frac{2 \times Z_1}{Z_2 + Z_1}$ pour l'onde transmise. En incidence oblique, la loi de Snell-Descartes s'applique : $\frac{\sin(\alpha_{l1})}{V_{l1}} = \frac{\sin(\alpha_{r1})}{V_{r1}} = \frac{\sin(\alpha_{l2})}{V_{l2}} = \frac{\sin(\alpha_{r2})}{V_{r2}}$.

Le mat riel comprend des postes ultrasons, des traducteurs (droits, d'angle, variables) et des mesureurs d' paisseur. Le palpeur droit met des ondes longitudinales perpendiculaires la surface, id al pour les d fauts volumiques (soufflures) ou plans parallles (d doublures). Le palpeur d'angle utilise la r fraction pour g n rer des ondes transversales. Les applications couvrent la d tection de d fauts de soudage, de fonderie et la mesure de serrage des vis par allongement ultrasonore ($T(daN) = K \times \text{allongement}$).

Chapitre 7 - La Radiographie Industrielle (RT)

La radiographie industrielle utilise des rayonnements lectromagn tiques courte longueur d'onde (Rayons X et $\gamma$) pour l'examen interne d'un objet. Ces rayonnements possdent une nergie allant de $25\,keV$ $25\,MeV$, leur permettant de traverser la matire. Les d fauts absorbent plus ou moins le rayonnement, cr ant des variations d'intensit visualis es sur un film ou un cran.

Les rayons X sont produits en projetant des lectrons acc l r s sur une cible en tungstne. La longueur d'onde limite est $\lambda_l [nm] = \frac{1,24}{V[kV]}$ et la longueur d'onde maximale $\lambda_m = 1,5 \times \lambda_l$. Seuls les rayons X de longueur d'onde inf rieure 2,5 10^{-10}\,m sont utilis s industriellement. L'absorption d pend de l' paisseur de demi-absorption du mat riau (HVL). Par exemple, pour un rayonnement de $100\,keV$, l'HVL est de $15,1\,mm$ pour l'aluminium et de $0,15\,mm$ pour le plomb.

Les rayons $\gamma$ sont issus de la d sint gration spontan e d' l ments radioactifs artificiels comme l'Iridium 192 ($^{192}Ir$, p riode de $74$ jours, nergie $0,137$ $0,615\,MeV$) ou le Cobalt 60 ($^{60}Co$, p riode de $5,3$ ans, nergie $1,17$ $1,33\,MeV$). L'activit de la source s'exprime en Becquerels ($Bq$) ou en Curies ($Ci$), avec $1\,Ci = 37\,GBq$. La gammagraphie ne n cessite pas d'alimentation lectrique et permet des prises de vue panoramiques, mais exige une radioprotection stricte.

Les applications incluent le contr le des soudures (porosit s, fissures), des pices m talliques moul es (retassures), de la tuyauterie (corrosion) et du b ton arm . La tomographie constitue une technique compl mentaire fournissant une image thermique 2D virtuelle d'une coupe de l'objet par calcul algorithmique. Les principaux inconv nients sont le co t des consommables et la dangerosit des rayonnements ionisants.

Chapitre 8 - La Thermographie Infrarouge

Selon la norme NF A09-400, la thermographie infrarouge permet d'obtenir l'image thermique d'une scne sans contact et en temps r el. Tout corps au-dessus du z ro absolu (0\,K = -273,15\,^C) met un rayonnement infrarouge dont le flux d pend de sa temp rature et de son missivit ($\epsilon$).

Le corps noir est un modle id al ayant un facteur d'absorption de $1$ ($\epsilon = 1$). L’ missivit d finie le rapport entre la luminance du corps et celle du corps noir ($0 \le \epsilon \le 1$). Des facteurs externes peuvent perturber la mesure : le vent (refroidissement), l'hygrom trie (influence sur le rayonnement), la distance (flux inversement proportionnel au carr de la distance) et la dimension du point mesur par rapport au capteur. On distingue la thermographie passive de la thermographie active, o l'on utilise une source d'excitation externe pour r v ler des d fauts tels que le d laminage ou l'infiltration d'eau.

Le mat riel se compose d'une cam ra infrarouge ($3-5$ ou $8-12\,\mu m$) avec une r solution thermique de 0,1\,^C 20\,^C, d'une unit de traitement d'images et de logiciels d'analyse (ex: Flir, Thermagram). Les r sultats qualitatifs identifient l'emplacement des zones chaudes, tandis que les r sultats quantitatifs mesurent les carts de temp rature. Les domaines d'application sont larges : maintenance lectrique (oxydation, d faut de serrage par effet Joule $U = RI$), r seaux hydriques (recherche de fuites), thermique industrielle (fours), p trochimie et maintenance m canique ( chauffement de roulements).