THERMOGRAPHIE PAR INDUCTION : UNE ALTERNATIVE AUX

CONTROLES CONVENTIONNELS SUR PIECES FORGEES

INDUCTION THERMOGRAPHY: AN ALTERNATIVE TO CONVENTIONAL NDT ON FORGED COMPONENTS

BOUTEILLE P., LEGROS G.

CETIM – Contrôle Non Destructif

52, avenue Félix Louat – 60300 SENLIS – France Tél. +33 (0)3 44 67 36 23 – e-mail : patrick.bouteille@cetim.fr

La magnétoscopie et le ressuage sont largement utilisés dans l’industrie pour contrôler les matériaux métalliques. Ces méthodes de contrôle non destructif sont très performantes mais peuvent présenter des risques pour la santé des opérateurs et pour l’environnement. Confrontés à des normes environnementales de plus en plus sévères, un nombre croissant d’industriels s’intéresse aux méthodes de contrôle alternatives, plus écologiques, offrant des résultats comparables. Depuis plusieurs années, le Cetim participe au développement de la thermographie infrarouge active et notamment à la thermographie avec excitation par induction sur pièces forgées. Nous présentons dans cette communication une comparaison entre la thermographie par induction et la magnétoscopie sur un lot de 26 moyeux de roue forgés avec défauts. Les analyses métallographiques destructives confirment que la thermographie par induction est capable de mettre en évidence plus de défauts que la magnétoscopie, pourtant considérée comme méthode de référence. Une seconde application de la thermographie par induction sera présentée sur des pièces non magnétiques. Les résultats des essais réalisés sur des prothèses de hanche en titane, acier inoxydable et alliage de cobalt seront comparés à ceux du ressuage. Enfin, les avantages et limitations de la thermographie par induction par rapport au ressuage et la magnétoscopie seront discutés. Dye penetrant inspection and magnetic particle inspection are widely used in the industry to inspect metallic components. These non-destructive testing methods are highly efficient but they induce possible risks for operators’ health and for environment. As they are faced with tougher environmental rules, more manufacturers take a real interest to ecofriendly alternative inspection methods capable of giving similar results. Since several years, CETIM, the French technical center for mechanical industry, is involved in the development of active infrared thermography, and especially induction thermography on forged components. We will present in this paper a comparison between induction thermography and magnetic particle inspection on a batch of 26 cracked wheels hubs. Destructive metallographic analyses confirm that induction thermography is able to highlight more defects invisible to the naked eye than magnetic particle inspection, considered yet as the reference method. A second application of induction thermography will be presented on non-magnetic components. Tests results on artificial hip joints in titanium, austenitic steel and cobalt-based alloy will be presented in comparison with dye penetrant results. Finally, advantages and drawbacks of induction thermography will be discussed compared to those of magnetic particle inspection and dye penetrant inspection.

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1. LA THERMOGRAPHIE INFRAROUGE PAR INDUCTION

1.1 Principe de la thermographie infrarouge active La thermographie infrarouge est un moyen de contrôle largement utilisé pour le diagnostic de bâtiment ou l’inspection d’armoires électriques. Elle consiste à recueillir, via une caméra thermique, le flux de chaleur émis naturellement par le corps étudié. On parle de thermographie infrarouge passive. L’image obtenue, appelée thermogramme, peut alors révéler une variation anormale du flux thermique et mettre en évidence un défaut. Les défauts recherchés en contrôle non destructif n’émettent généralement pas plus de flux de chaleur que le reste de la pièce. Par contre, en perturbant l’échantillon analysé par un apport de chaleur et en analysant sa réponse thermique, on peut accéder à des informations non fournies spontanément. On parle alors de thermographie infrarouge active [1]. Dans le cas de pièces défectueuses, l’analyse de la séquence d’images permet de mettre en évidence des discontinuités dans la propagation de la chaleur. En thermographie infrarouge active, il est donc nécessaire de générer un flux de chaleur dans la pièce à inspecter. La méthode d’excitation, le positionnement de la source et la durée de l’échauffement sont notamment fonction du matériau à inspecter, de son épaisseur ainsi que de la nature, de la position et de l’orientation du défaut attendu. L’échauffement au niveau d’un défaut peut être créé par divers principes physiques suivant le moyen d’excitation. Une barrière thermique est créée par un défaut perpendiculaire à la direction de propagation du flux de chaleur, par exemple avec des lampes flashs ou des lampes halogènes pour la détection de délaminage dans les matériaux composites ou avec le balayage d’un laser pour détecter des fissures débouchantes sur matériaux métalliques [2]. En vibrothermographie, dans le cas d’une fissure, nous allons chercher à faire vibrer ses lèvres à l’aide d’une onde mécanique et ainsi créer un échauffement à cet endroit [3]. Dans notre cas, nous avons utilisé une excitation par induction [4].

1.2 Excitation par induction Le principe de la thermographie avec excitation par induction est détaillé ci-dessous.

Figure 1 : Principe de la thermographie infrarouge avec excitation par induction

Le passage d’un courant alternatif dans une bobine excitatrice crée des courants induits dans l’objet conducteur d’électricité placé à proximité. Ces courants appelés courants de Foucault génèrent à leur tour un échauffement de l’objet par effet Joule. La présence d’un défaut perturbe en plus la distribution de ces courants induits, créant une concentration de la densité de puissance autour du défaut. Cette concentration se traduit par des surchauffes locales au niveau des défauts. L’inhomogénéité de la distribution de la température se propage à la surface de l’objet et est détectée par la caméra infrarouge. L’excitation par induction présente donc l’avantage de créer une perturbation supplémentaire due à la concentration des courants de Foucault autour du défaut.

1.3 Mise en œuvre du contrôle par thermographie infrarouge La profondeur des courants de Foucault créés dans la pièce à contrôler est fonction de la fréquence de ces courants, de la perméabilité magnétique et de la conductivité électrique du matériau. Ainsi, pour chaque pièce à contrôler, une bobine inductrice est conçue en fonction de la géométrie de la pièce, des défauts recherchés et des propriétés du matériau. La caméra utilisée est une caméra FLIR SC7600 à détecteurs quantiques, de résolution spatiale 640 x 512 pixels avec une fréquence d’acquisition réglée à 100 Hz. Elle permet d’enregistrer une séquence d’images thermiques pendant le chauffage par induction et pendant le refroidissement. Nous avons utilisé une analyse de Fourier de cette séquence d’images, qui donne accès à une représentation fréquentielle de la phase et de l’amplitude de la réponse thermique obtenue. Notre choix s’est porté sur le paramètre phase, moins sensible à l’inhomogénéité du chauffage et aux variations d’émissivité des pièces étudiées. Cette analyse fréquentielle permet une meilleure détection des défauts qu’une simple analyse temporelle.

2. CONTROLE D’UN MOYEU DE ROUE EN ACIER FERROMAGNETIQUE

2.1 Présentation des moyeux de roue Le moyeu de roue est la pièce centrale d’une roue, fixé sur l’arbre côté canon et sur lequel est montée la jante du côté du centrage de roue. C’est une pièce de sécurité en acier ferromagnétique de 130 mm de diamètre extérieur et de 70 mm environ de hauteur.

Figure 2 : Moyeu de roue testé

Industriellement, la pièce étudiée est contrôlée à 100% sur ligne automatique par magnétoscopie. La sanction est réalisée par un opérateur en sortie de ligne.

2.2 Conditions de contrôle Dans notre étude, le contrôle du moyeu a été réalisé en magnétoscopie par passage de courant et de champ sur banc par un opérateur certifié COFREND niveau 2. Il permet ainsi de mettre en évidence les défauts quelle que soit leur orientation. En thermographie infrarouge, deux configurations de contrôle ont été mises au point pour couvrir la totalité du moyeu de roue. Le dessus (côté canon) et le dessous (côté centrage de roue) du moyeu de roue sont contrôlés successivement en utilisant la même bobine circulaire. Le contrôle de la circonférence du moyeu est réalisé en 4 acquisitions de côté (avec une rotation du moyeu de 90°) à l’aide de deux bobines concentriques. Pour contrôler 100% du moyeu de roue, il est donc nécessaire de réaliser 6 acquisitions. Le temps d’une acquisition est de 300 ms comprenant le chauffage et le refroidissement.

Figure 3 : Mise en œuvre du contrôle par thermographie sur le moyeu de roue

2.3 Comparaison entre thermographie et magnétoscopie Pour évaluer les performances de détection du contrôle par thermographie infrarouge avec excitation par induction par rapport à une méthode de référence, 26 moyeux de roue avec défauts ont été contrôlés par magnétoscopie et par thermographie. Des découpes métallographiques ont été réalisées au niveau de certaines indications pour vérifier la présence d’un défaut et le caractériser. Nous présentons ci-dessous des exemples d’images de phase correspondant au contrôle par thermographie de ces moyeux de roue. En comparaison, nous affichons en parallèle les résultats du contrôle par magnétoscopie réalisé sur ces mêmes moyeux. Une indication sur le canon du moyeu ci-dessous est aussi bien détectée par magnétoscopie (Figure 4, à droite) que par thermographie à l’aide d’une vue de côté (Figure 4, à gauche).

Figure 4 : Indication circonférentielle détectée par thermographie (à gauche) et par magnétoscopie (à droite)

Une découpe métallographique réalisée au niveau de cette indication confirme la présence d’un repli de forge assez profond.

Figure 5 : Analyse métallographique au niveau de l’indication détectée par les 2 méthodes

Les figures 6 montrent la présence d’un défaut radial détecté aussi en thermographie infrarouge (à gauche) qu’en magnétoscopie (à droite) côté centrage de rouge.

Figure 6 : Indication radiale détectée par thermographie (à gauche) et par magnétoscopie (à droite)

La même bobine et la même configuration de contrôle en thermographie infrarouge permettent de mettre en évidence simultanément les indications radiales et les indications circonférentielles. Cela est confirmé sur la figure suivante qui présente l’image de phase obtenu lors du contrôle du même moyeu côté canon présentant des défauts avec des orientations différentes. En magnétoscopie, le défaut circonférentiel (repéré 2) est difficilement mis en évidence, malgré le choix d’une configuration de contrôle propice à sa détection.

Figure 7 : Contrôle côté canon par thermographie (à gauche) et par magnétoscopie (à droite)

Sur la figure 8, le contrôle par thermographie avec excitation par induction met en évidence trois indications circonférentielles du côté canon. L’indication circonférentielle repérée 3 n’est quasiment pas détectée par magnétoscopie alors qu’elle est bien visible en thermographie avec excitation par induction.

Figure 8 : Contrôle côté canon par thermographie (à gauche) et par magnétoscopie (à droite)

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2

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3

Une découpe métallographique est réalisée sur cette indication mal détectée par magnétoscopie. Elle confirme la présence d’un repli au niveau de l’indication détectée par thermographie (Figure 9).

Figure 9 : Analyse métallographique au niveau d’une indication détectée par thermographie et non détectée par magnétoscopie

2.4 Conclusion sur ce cas La concentration des courants de Foucault au niveau des défauts permet de mettre en évidence des défauts très fins même si la résolution de la caméra n’est pas suffisante pour les voir dans le visible. Ainsi sur les moyeux, les indications semblent avoir une largeur de l’ordre d’un millimètre alors que l’ouverture des défauts n’est que de quelques microns. La thermographie permet de détecter les défauts dans les deux directions (radiale et circonférentielle) même si la configuration choisie est plus adaptée pour les défauts radiaux. Sur les 26 moyeux de roue avec défauts contrôlés par thermographie infrarouge et par magnétoscopie, la thermographie a permis de mettre en évidence plus d’indications que la magnétoscopie, considérée pourtant comme méthode de référence industriellement. Les analyses métallographiques réalisées au niveau d’une vingtaine d’indications ont confirmé la présence d’un défaut pour chaque indication détectée. Pour couvrir la totalité du moyeu, 6 acquisitions sont nécessaires avec une rotation ou le retournement de la pièce. L’automatisation du contrôle permettrait d’inspecter chaque moyeu en quelques secondes et d’avoir une cadence de contrôle comparable à celle du contrôle industriel actuel par magnétoscopie. L’obtention d’images numériques permet aussi d’automatiser la sanction, c’est-à-dire de détecter informatiquement la présence d’une indication sur les images obtenues par thermographie. Cette étape permettrait de réduire les coûts du contrôle en diminuant la main d’œuvre nécessaire pour sa réalisation. La thermographie infrarouge avec excitation par induction est donc une alternative crédible pour le remplacement de la magnétoscopie pour le contrôle de ce type de pièces forgées.

3. CONTROLE D’UNE PROTHESE EN MATERIAU NON MAGNETIQUE

3.1 Présentation des prothèses Des prothèses de hanche avec défauts ont été mises à disposition du CETIM par un forgeron de matériel orthopédique. Ces prothèses lisses ou rainurées sont en différents matériaux non magnétiques :

- Alliage de titane TA6V-ELI - Alliage cobalt-chrome CoCrMo - Acier inoxydable M30NW

Industriellement, les prothèses sont contrôlées à 100% par ressuage.

Figure 10 : Prothèses de hanche testées

3.2 Conditions de contrôle Les prothèses à tester étant en matériaux non ferromagnétiques, le chauffage par induction est moins efficace pour le contrôle par thermographie infrarouge de ces pièces que pour des pièces ferromagnétiques. En effet, la profondeur des courants de Foucault est plus importante sur ces matériaux. Les inducteurs testés sont constitués de deux bobines de Helmholtz, c’est-à-dire deux bobines circulaires de rayon identique, parallèles et placées l'une en face de l'autre à une distance égale au rayon des bobines. En faisant circuler du courant électrique dans ces bobines, le champ magnétique créé dans leur voisinage a la particularité d'être relativement uniforme au centre du dispositif.

3.3 Comparaison entre thermographie et ressuage L’évaluation de la thermographie infrarouge est réalisée par des essais de comparaison sur 15 prothèses avec les résultats fournis par le contrôle par ressuage fluorescent. Nous présentons sur les figures 11 une image de phase correspondant au contrôle par thermographie (à gauche) d’une prothèse lisse en acier inoxydable et le résultat du contrôle par ressuage (à droite) réalisé sur cette même prothèse.

Figure 11 : Contrôle d’une prothèse en acier inoxydable par thermographie (à gauche) et ressuage (à droite)

Les figures ci-dessous montrent la comparaison entre la thermographie et le ressuage pour la détection d’un défaut sur la partie lisse d’une prothèse en alliage cobalt-chrome.

Figure 12 : Contrôle d’une prothèse en alliage cobalt-chrome par thermographie (à gauche) et ressuage (à droite)

La thermographie n’a, cependant, pas permis de détecter des défauts de forge situés à l’intérieur d’une rainure sur des prothèses en titane et détectés en ressuage (Figure 13).

Figure 13 : Contrôle d’une prothèse en titane par ressuage

La position du défaut, au fond d’une rainure, ou sa profondeur sont sans doute les causes de sa non-détection. Il est en effet possible de détecter des défauts sur des pièces en titane. C’est le cas notamment dans l’exemple ci-dessous (Figure 14) sur une plaque en titane avec des défauts créés artificiellement par forgeage.

Figure 14 : Contrôle d’une plaque en titane par thermographie (TT)

3.4 Conclusion sur ce cas Bien adaptée aux matériaux ferromagnétiques, l’excitation par induction est moins efficace pour chauffer les prothèses en titane, acier inoxydable ou alliage cobalt-chrome. A fréquence égale, la profondeur des courants de Foucault créés par induction est plus importante sur ces matériaux par rapport aux matériaux ferromagnétiques. Ces essais montrent néanmoins que la thermographie infrarouge avec excitation par induction permet de mettre en évidence une partie des défauts vus en ressuage. Sur les prothèses, seuls ceux situés dans les rainures ne sont pas détectés par thermographie infrarouge. Les défauts situés sur une zone lisse de la prothèse, non visibles à l’œil nu, sont nettement mis en évidence.

4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Au travers de ses différentes études [5, 6, 7], le CETIM s’attache aujourd’hui à mieux cerner les limites de la thermographie infrarouge pour la détection de défauts de surface sur matériaux métalliques. Dans cette communication, nous avons montré que la thermographie par induction est une alternative possible pour le remplacement de la magnétoscopie sur des pièces forgées magnétiques, telles que des moyeux de roue. En effet, la thermographie permet, dans ce cas, d’obtenir la même qualité de détection que les méthodes de contrôles conventionnels. La cadence de contrôle est similaire avec une inspection en quelques secondes après automatisation. L’automatisation de la sanction, c’est-à-dire la détection automatique des défauts sans intervention humaine, très difficile en magnétoscopie, est possible en thermographie, grâce aux images numériques fournies par les caméras. C’est ainsi un gain important sur le coût du contrôle. La thermographie est de plus une méthode écologique, économe en énergie et qui n’utilise aucun produit chimique. Enfin, elle réduit les risques pour la santé du personnel en se conformant aux directives européennes sur l’exposition des opérateurs aux champs électromagnétiques et aux vapeurs de solvant.

Nous avons également démontré que la thermographie par induction met en évidence des défauts de forge sur des matériaux non magnétiques. Les comparaisons avec le ressuage sur les prothèses de hanche sont concluantes. La génération de courants de Foucault à des fréquences plus élevées permettrait de limiter la profondeur de pénétration des courants et peut-être d’affiner la détection. La réalisation de découpes métallographiques au niveau des défauts détectés pour en apprécier la profondeur et l’ouverture permettrait aussi de conclure sur les performances et les limites de la thermographie sur les matériaux non magnétiques.

5. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Maldague X., Introduction to NDT by active infrared thermography, Materials Evaluation, Vol. 6, No 9, pp. 1060 -1073, 2002 [2] Bodnar J.L., Edée M., Menu C., Besnard R., Le Blanc A., Pigeon M., Sellier J.Y., Cracks detection by a moving photothermal probe, Journal de Physique IV, C7-592, 1994 [3] Zweschper Th., Dillenz A., Riegert G., Scherling D., Busse G., Ultrasound excited thermography using frequency modulated elastic waves, Insight, Vol. 45, No 3, 2003 [4] Vrana J., Goldammer M., Baumann J., Rothenfusser M., Arnold W., Mechanisms and Models for Crack Detection with Induction Thermography, Review of Progress in QNDE 27, pp. 475-482, 2008 [5] Maillard S., Cadith J., Eschimese D., Walaszek H, Mooshofer H., Candore J. C., Bodnar J.L., Towards the use of passive and active infrared thermography to inspect metallic components in the mechanical industry, Congrès QIRT, Laval (Quebec), 2010 [6] Maillard S., Cadith J., Walaszek H., Bodnar J.L., Active infrared thermography and its new applications to metallic materials, Congrès COFREND, Dunkerque (France), 2011 [7] Bouteille P., Legros G., Maillard S., Cadith J., Bodnar J.L., Induction active thermography as an alternative to magnetic particle inspection, Congrès QIRT, Naples (Italy), 2012