Essais par ultrasons des composites en fibre de verre et en fibre de carbone

Nov 09, 2023

À mesure que l'utilisation de composites de fibre de verre et de fibre de carbone dans la fabrication s'est développée, le besoin d'essais non destructifs fiables s'est accru, à la fois au stade de la fabrication initiale et en service. La fibre de verre traditionnelle est couramment utilisée dans les réservoirs, les tuyaux, les coques de bateaux, les pales d'éoliennes, les panneaux structuraux et les produits similaires. Le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) est devenu de plus en plus important dans l'industrie aérospatiale, car un nombre croissant de conceptions d'avions militaires et civils sont basés sur la légèreté et les propriétés de haute résistance des composites avancés. En raison de leur structure de stratification laminaire, ces matériaux sont potentiellement sujets à des fissures parallèles à la surface, soit en raison de contraintes appliquées, soit en raison de faiblesses résultant d'anomalies de fabrication. Ces fissures internes cachées peuvent avoir un impact significatif sur l'intégrité structurelle et ne sont normalement pas détectables par radiographie ou par des techniques CND autres que les ultrasons. Heureusement, les tests par ultrasons fournissent une technique prête et bien établie pour localiser et documenter les défauts internes.

La détection de défauts par ultrasons et la mesure d'épaisseur sont basées sur un principe simple de la physique des ondes. Une onde sonore à haute fréquence qui a été générée par une petite sonde appelée transducteur et couplée à un milieu solide comme la fibre de verre ou les composites se déplacera en ligne droite perpendiculairement à la surface jusqu'à ce qu'elle rencontre une limite matérielle telle qu'un mur éloigné, une autre interface matérielle ou une stratification. À ce stade, l'onde sonore sera réfléchie de manière prévisible. Les jauges d'épaisseur mesurent le temps de transit aller-retour de l'impulsion sonore, puis utilisent la vitesse programmée du son dans le matériau d'essai pour calculer l'épaisseur. La détection de défauts par ultrasons analyse les échos grâce à un processus comparatif dans lequel le modèle d'écho généré par une bonne pièce est comparé au modèle d'écho d'une pièce d'essai. Étant donné que les ondes sonores se reflètent dans les vides ou les fissures, les changements dans le modèle d'écho indiquent des changements dans la structure interne d'une pièce. Lors des tests de fibre de verre et de composites, l'instrument recherche généralement la présence d'échos dans une porte ou une fenêtre marquée qui représente l'intérieur de l'éprouvette. Alors que la nature inhomogène de la fibre de verre et des composites peut générer des réflexions de bruit dispersé même à partir d'un matériau solide, les fissures dont la surface se rapproche du diamètre du faisceau sonore renvoient généralement de fortes indications localisées qui seront reconnues par un opérateur qualifié.

La fréquence de test et la taille de la sonde sont sélectionnées en fonction du matériau inspecté et des paramètres de défaut critiques. En général, des fréquences plus élevées et des diamètres de faisceau plus petits sont nécessaires pour la résolution de petits défauts. Les sondes à basse fréquence sont utilisées pour pénétrer plus profondément dans les matériaux et compenser la diffusion et l'atténuation du son dans les matériaux à plus faible densité ou à structures inhomogènes. La sélection de la sonde et la configuration de l'instrument doivent toujours être optimisées pour la tâche à accomplir.

Pièces et structures en fibre de verre

La fibre de verre est le plus souvent testée avec des jauges d'épaisseur à ultrasons traditionnelles et des détecteurs de défauts utilisant des transducteurs à élément unique basse fréquence, généralement à des fréquences de 2,25 MHz et moins, généralement aussi basses que 0,5 MHz lorsque les épaisseurs dépassent environ 0,5 pouce ou 12,5 mm. Des transducteurs basse fréquence spécialisés utilisant des techniques de lignes à retard d'adaptation d'impédance peuvent optimiser à la fois la pénétration et la résolution proche de la surface. Les jauges d'épaisseur conçues pour fournir une lecture directe de l'épaisseur totale du matériau sont simples à utiliser et nécessitent peu de réglage par l'opérateur après la configuration initiale. Les détecteurs de défauts conventionnels affichent un schéma de réflexions sonores appelé A-scan, qui change à mesure que les conditions matérielles changent et qui est interprété par un opérateur formé pour identifier les anomalies. Les mesures d'épaisseur par ultrasons sont particulièrement utiles avec les nappes de tapis de fibre de verre/roving où les variations d'épaisseur de couche rendent nécessaire de vérifier périodiquement l'épaisseur pendant la fabrication, et la détection des fissures est d'une importance particulière dans l'industrie de la surveillance marine pour vérifier d'éventuels dommages cachés à la coque des bateaux plus anciens.

Composites en fibre de carbone

Tout comme les composites contemporains en fibre de carbone représentent des matériaux avancés pour la fabrication, ils sont couramment inspectés par des instruments à ultrasons avancés utilisant la technologie d'imagerie multiéléments. Bien que la taille, la forme et l'épaisseur des pièces en CFRP varient considérablement, la nature des défauts courants convient parfaitement à l'inspection par ultrasons à impulsion d'onde de compression. Les défauts laminaires causés par une mauvaise disposition des matériaux ou des dommages par impact, des chutes de plis involontaires et des structures encastrées se produisent en grande partie dans un plan normal à la surface, représentant une géométrie optimale pour la réflexion du son.

Les instruments multiéléments industriels sont similaires dans leur concept et leur fonctionnement aux échographes de diagnostic médical, mais avec des sondes et des logiciels optimisés pour les matériaux d'ingénierie plutôt que pour les tissus humains. Les instruments à réseau phasé utilisent des sondes multi-éléments dans lesquelles les éléments sont pulsés individuellement selon une séquence programmée, créant la capacité de diriger les faisceaux et de les balayer sur une zone d'intérêt. L'orientation du faisceau permet à un transducteur à réseau unique de générer une image sur une séquence d'angles (appelée balayage sectoriel) ou de produire une image à partir d'un angle fixe qui se déplace sur la longueur d'une sonde (appelée balayage linéaire). De plus, les paramètres du faisceau tels que l'ouverture (taille du groupe d'éléments) et la distance focale peuvent être contrôlés pour fournir des configurations flexibles et des résultats supérieurs avec une seule sonde. Les sondes multiéléments à réseau linéaire typiques pour l'inspection de CFRP d'une épaisseur de 0,125 pouce à un pouce (3 mm à 25 mm) fonctionnent à 3,5 ou 5 MHz avec 24 à 128 éléments individuels au total.

Les amplitudes de signal provenant d'une région sélectionnée de l'éprouvette sont tracées sous forme de niveaux de couleur associés et en fonction de la position, créant une image plane appelée C-scan. Ce C-scan montre des zones exemptes de défauts représentées par des couleurs d'échelle inférieure correspondant à des réflexions de signal minimales, tandis que des réflexions de signal plus élevées provenant de défauts sont tracées vers des couleurs s'approchant du maximum sur l'échelle de couleurs. Le dimensionnement des défauts peut être effectué sur ces données d'image. Dans de nombreux cas, l'image C-scan sera produite par une sonde codée mécaniquement qui suit le mouvement de la sonde vers l'avant tandis que le faisceau sonore balaye latéralement, créant des données sur un tracé xy. Cette combinaison de balayage électronique et mécanique est souvent appelée balayage à une ligne. Cette méthode de balayage simple est rapide, entièrement portable et facile à mettre en œuvre avec les instruments multiéléments portables d'aujourd'hui. L'empreinte de la sonde et de l'encodeur est assez petite, de sorte que cette méthode peut être utilisée pour accumuler des échantillons de données à partir d'une variété de formes de pièces.

Lors de l'inspection de grands panneaux CFRP plats ou presque plats, un scanner mécanique à deux axes peut être utilisé. Certains instruments avancés combinent automatiquement des balayages linéaires codés en position sur deux axes, ce qui augmente considérablement la vitesse d'inspection par rapport au balayage en C conventionnel à un seul élément. Les conceptions de scanner sont légères, résistantes à l'eau et disposent d'options de montage pour permettre un fonctionnement horizontal, vertical ou à l'envers. Avec un stockage complet des données d'inspection, les résultats des tests peuvent être examinés et analysés après l'inspection.

L'inspection de pièces arrondies à l'aide d'un UT conventionnel peut être difficile en raison de problèmes de couplage, mais un réseau incurvé linéaire permet au faisceau acoustique de se déplacer autour d'un rayon ID ou OD tout en maintenant la normalité par rapport au rayon de la pièce, produisant une visualisation en coupe transversale en direct. Le choix de la sonde appropriée dépend de la géométrie de la pièce. Les principaux facteurs à prendre en compte sont le type d'inspection (ID ou OD), le rayon du coin et l'angle du coin. Une fois le choix des sondes resserré, l'épaisseur de la pièce ainsi que l'encombrement de la sonde et de la cale doivent être pris en considération pour assurer l'accès aux zones restreintes qui peuvent exister. Des sondes sont disponibles pour s'adapter à une variété de rayons. Une fixation appropriée est nécessaire pour activer et maintenir l'alignement pendant la numérisation.

Conclusion

Le développement continu de la technologie ultrasonique portable a conduit à des outils qui offrent de nouveaux niveaux de fiabilité, d'efficacité et de documentation dans les tests non destructifs de la fibre de verre et des composites. Comme dans d'autres domaines des END numériques modernes, cette évolution est susceptible de se poursuivre.

Tom Nelligan est un ingénieur d'application senior qui soutient les gammes de produits de mesure d'épaisseur à ultrasons et de détecteurs de défauts d'Olympus Scientific Solutions America (Waltham, MA). Il travaille dans le domaine des tests par ultrasons depuis 1978. Pour plus d'informations, appelez le (781) 419-3900, envoyez un e-mail à [email protected] ou visitez www.olympus-ims.com.

Daniel Kass est un spécialiste de la technologie chez Olympus SSA à Waltham, MA, avec plus de 25 ans d'expérience dans le domaine des tests non destructifs avec une concentration dans les modalités ultrasonores, courants de Foucault et multiéléments. Il est auteur et co-auteur de plusieurs articles et présentations de conférence concernant les essais non destructifs et est co-inventeur de plusieurs brevets. Pour plus d'informations, envoyez un e-mail à [email protected]