Contrôle non destructif par ultrasons

1. 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. 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. 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. 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 :
mm1,17=
0000005
0008505
=
f
c
=λ
c : célérité
f : fréquence
Les demi-angles d’ouverture sont alors :
a - élément sensible D = 20 mm K = 1,2
°4=αoùd'0,07,=
20
1,17
.1,2=
D
λ.K=αsin
b - élément sensible D = 10 mm
°8=αoùd'0,14,=
10
1,17
1,2.=
D
λK.=αsin
D = 20 mm D = 10 mm
α = 4° α = 8°

5. 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+1
σ-1.ρ
E=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:
( )σ
V 2
-1
1.
ρ
E=p

6. 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+12
1.
ρ
E=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. 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.
RˆSin
iˆSin
DescartedeloilaselonRelation
V2
V1

réfractiondeindicel'appeléest
RˆSin
iˆSin

8. 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.
TV
Sin
LV
Sin
TV
Sin
LV
Sin
2211
ˆ
SnelldeloilaselonRelation


μi

9. 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.

10. 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.

11. 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.