Utilisation d’ un capteur à courant de Foucault pour prévenir la fissuration dans des structures métalliques

Sensima Inspection Sàrl. a développé un capteur à courant de Foucault flexible et peu intrusif qui permet de surveiller la propagation de fissures dans des éléments métalliques. Il est actuellement testé in-situ sur des ponts. Le but de ce projet est de démontrer que ce capteur peut être utilisé dans le cadre du suivi conditionnel d’installations hydroélectriques et en particulier des machines tournantes. Il devrait, à terme, permettre d’arrêter certains organes dans le cas où les fissures suivies dépasseraient une taille critique déterminée à partir de la mécanique de la rupture. Les jalons de ce projet sont de démontrer que le capteur permet de suivre l’évolution de fissures dans des tôles minces lors d’essais de traction en déchirement et en fatigue, et de valider expérimentalement s’il est possible de corréler le signal obtenu par le capteur en pointe de fissure avec d’autres mesures expérimentales comme des tests de dureté et des observations métallographiques.

ÉTAT DE L’ART

La détection de microfissures via un capteur à courants de Foucault s’inscrit dans les méthodes de contrôles non destructifs. C’est un vaste domaine regroupant toutes les technologies permettant de déterminer si une pièce mécanique est apte à remplir la fonction à laquelle elle est destinée, sans avoir besoin de la préparer. On évite par exemple les phases de découpage et de polissage nécessaires à une métallographie. Par analogie, on pourrait comparer ces méthodes de contrôles avec le « diagnostic que le médecin formule lors de l’examen de son patient ». Les différentes techniques de contrôle peuvent être classées en fonction du degré de profondeur qu’elles peuvent atteindre lors de l’analyse :
✦ Les méthodes permettant de contrôler la surface des objets :
• Les contrôles visuels ;
• Le ressuage ;
✦ Les méthodes permettant de contrôler la surface ainsi que les zones proches de la surface (peau) :
• La magnétoscopie ;
• Les courants de Foucault ;
• Les jauges de contraintes extensiométriques ;
✦ Les méthodes permettant de contrôler tout le volume des objets :
• La radiographie ;
• Les ultrasons ;

Toutes ces méthodes d’analyse ne seront pas explicitées dans le cadre de ce travail, seule la famille des capteurs qui contrôlent la peau de la structure métallique.

Les capteurs à courants de Foucault

La première technologie qui sera présentée est celle concernant les capteurs à courants de Foucault. La naissance de courants de Foucault dans des pièces métalliques est indissociable du principe de l’induction électromagnétique. Le contrôle par courants de Foucault consiste à « soumettre une pièce à contrôler à l’action d’un champ magnétique variable dans le temps, de manière à induire des courants électriques (dits de Foucault) en circuit fermé dans le matériau ». Ce champ magnétique variable est souvent créé par une bobine parcourue par du courant alternatif. Sous l’action de ces courants induits se forme alors un champ magnétique secondaire opposé au champ primaire.

La magnétoscopie 

Le contrôle par magnétoscopie consiste à générer un champ magnétique dans une pièce que l’on veut étudier par le biais d’une bobine parcourue par un courant électrique. De cette façon, à la manière d’un aimant permanent, la pièce va se polariser. Si celle-ci possède à sa surface des défauts, un nouveau champ magnétique apparaît aux abords de celui-ci que l’on appelle champ de fuite. La détection par magnétoscopie consiste à asperger les pièces à analyser d’un liquide contenant des particules ferromagnétiques en suspension. Les champs de fuite vont alors attirer vers eux ces particules qui vont remplir le défaut et créer un contraste sur la pièce. Selon l’environnement, il existe deux types de magnétoscopie :
✦ La magnétoscopie noir-blanc : utilisée pour le travail en lumière blanche, les particules ferromagnétiques apparaissent en noir dans les défauts, c’est pourquoi il est souvent préférable d’appliquer une sous-couche blanche sur la pièce.
✦ La magnétoscopie fluorescente : Les particules réagissent à la lumière UV, aucune sous-couche n’est nécessaire et la résolution de détection est nettement supérieure qu’en noir-blanc.

Les avantages par rapport aux capteurs à courants de Foucault sont la sensibilité de détection (jusqu’à 1 micron d’épaisseur de défaut) et la lisibilité des résultats, puisque ceux-ci apparaissent directement sur la pièce à contrôler. Cette méthode possède cependant plusieurs inconvénients :
✦ Les pièces à analyser doivent être magnétisées ce qui peut être très contraignant pour le contrôle d’organes volumineux ;
✦ Si les fissures se propagent dans la même direction que le champ magnétique, le champ de fuite sera très faible et le défaut risque de ne pas apparaître ;
✦ Seuls les matériaux ferromagnétiques peuvent être analysés ;
✦ Des utilisations dans l’eau, sur des revêtements isolants, ou des revêtements magnétiques de plus d’un centième de millimètre sont impossibles ;

Les jauges de contraintes extensométriques

Les jauges de contraintes mesurent par le biais d’un pont de Wheatstone la différence de résistance électrique d’une branche du pont dûe à un allongement de la matière. Cette variation de résistance trouble l’équilibre du pont, lequel renvoie une valeur de tension non-nulle qu’il est possible de convertir en contrainte ou en allongement. L’échantillon doit être en contact intime avec la pièce, tout glissement fausse le résultat et risque d’endommager le capteur. Les jauges de contraintes sont une solution bon marché, fiable et facile d’accès. Cependant, elles ne tolèrent que de faibles déformations (de l’ordre de quelques microns), et leur consommation électrique est supérieure à celle d’une bobine d’induction.

Le capteur de Sensima Inspection Sarl

Le capteur conçu par Sensima Inspection se compose de quatres bobines émettrices-réceptrices. Chacune d’entre elles induit son propre champ magnétique et analyse la réponse d’impédance de celui-ci. Son poids réduit, la faible épaisseur de la zone des capteurs ainsi que la plaque aimantée qui est fixée sur la partie rigide rendent son positionnement facile. La partie contenant les bobines est très flexible et peut donc s’adapter à des reliefs de surface très variés. Il est entièrement étanche et peut à ce titre être engagés sous l’eau. La communication avec le Software d’acquisition se fait ici par prise USB, mais d’autres moyens de communication sans fils (Bluetooth, GSM) sont également compatibles, ce qui lui permet de fonctionner sur des organes tournants. Il est capable de fournir une mesure directe de la longueur de fissure en traitant les signaux des bobines.

Applications actuelles

Ce type de capteurs est actuellement utilisé dans des projets variés, mais orientés vers des applications plutôt statiques dans le génie civil. Des études ont par exemple été menées sur le pont de Kirchenberg, qui est un nœud important du traffic routier en ville de Berne. Cet important flux de véhicule fait constamment varier la charge supportée par le pont, recréant des efforts de fatigue dans les barres qui le composent. Il est également engagé à Genève, dans la centrale électrique au fil de l’eau du Seujet. Avant que l’eau n’entre dans les turbines, des grilles sont chargées de filtrer les déchets qui pourraient y causer des dommages. Le capteur a permis de déceler des fissures de taille importante causées par la soudure de l’assemblage. Les défauts étaient impossibles à repérer à l’œil nu à cause d’une épaisse couche de rouille qui les recouvrait, mais le capteur a pu connaître leur position exacte.

BASES THÉORIQUES

L’état de contrainte d’un corps n’équivaut pas à son niveau d’endommagement. La limite élastique seule ne devrait pas être utilisée pour calculer un facteur de sécurité ou prédire la durée de vie d’une pièce. D’autres phénomènes tels que la fatigue ou la corrosion sont susceptibles de fragiliser jusqu’à la rupture des pièces soumises à des contraintes largement admissibles en temps normal. Des signes avant-coureurs apparaissent généralement à partir d’un certain stade de sollicitation, ce que l’on nomme plastification dans le cas des métaux.

De nouvelles éprouvettes non normalisées ont été conçues de telle sorte qu’elles remplissent les exigences d’une rupture en fatigue, et que la fissure créée soit détectable par le capteur. Une mise en plan de ces éprouvettes peut être trouvée en annexe. L’entaille au centre de l’éprouvette fait office de concentration de contrainte et ses extrémités sont les endroits où s’amorce la fissure. L’épaisseur est de 10mm car la machine était initialement prévue pour fatiguer des éprouvettes Charpy, lesquelles ont un section carrée de 10x10mm. Si une éprouvette plus fine doit être installée, il est nécessaire de caler le sabot comportant les appuis de la flexion 3 points de la distance amputée à la hauteur des éprouvettes. Il est important que la machine soit réglée correctement avant de lancer un essai de fatigue. L’excentricité imposant la déformation à l’éprouvette, et donc la contrainte, est réglable sur la tête de la broche. Les 4kW du moteur permettent à la machine de délivrer une force considérable sur l’éprouvette, il faut donc veiller à ce que les efforts soient canalisés au bon endroit. Pour ce faire (les numéros de pièces correspondent à la numérotation originale des mises en plan):

✦ Devisser la pièce no 8 de la broche (pas entièrement, juste dégager les vis) ;
✦ Tenir celle-ci avec la main et faire pivoter la pièce no 9 jusqu’à la position souhaitée, puis resserer les vis ;
✦ Sans éprouvette ,mesurer l’excentricité avec un comparateur sous la pièce no 23, appelée ici le pointeau ;
✦ Placer l’éprouvette à fatiguer quand le pointeau est au point neutre haut, de sorte qu’il appuie au milieu de l’éprouvette;
✦ Régler la hauteur du patin no 24 en tournant la vis no 70 de sorte à laisser un jeu de 0.1mm entre le pointeau au point haut et la surface de l’éprouvette ;
✦ Serrer les vis 61 ;
✦ Lancer l’essai et mesurer au comparateur la déformée sous l’éprouvette ;
✦ Mesurer la déflection du socle no 1 ;

En réitérant ces manipulations pour plusieurs valeurs d’excentricité, il s’agit de trouver la valeur assurant la déformée maximale de l’éprouvette (celle-ci plafonne pour plusieurs valeurs d’excentricité) pour une déflection minimale du socle. Cet aspect est primordial car les dégâts qui se répercutent sur la machine sont considérables : matage de la broche, grippage des roulements, fatigue localisée du bâti, etc… La valeur d’excentricité maximale que peut atteindre la broche est de 1mm (soit ±0.5mm).

Table des matières

1. INTRODUCTION
1.1. Buts
1.2. Contexte
2. ÉTAT DE L’ART
2.1. Les capteurs à courants de Foucault
2.2. La magnétoscopie
2.3. Les jauges de contraintes extensométriques
2.4. Le capteur de Sensima Inspection Sarl
2.5. Applications actuelles
3. BASES THÉORIQUES
3.1. Mécanique de la rupture
3.1.1. ??? la résistance à la propagation de fissure
3.1.2. La zone de plastification
3.2. Interactions entre matériau et champ magnétique
3.3. Fatigue
4. MÉTHODOLOGIE
4.1. Calibration et montage du capteur
4.2. Déchirement
4.3. Fatigue
5. CALCULS, RÉSULTATS ET ANALYSES
5.1. Simulation par éléments finis
5.2. Essais de déchirement
5.2.1. Essai de traction
5.2.2. La zone plastifiée
5.2.3. La résistance à la propagation de fissure, ???
5.2.4. Les signaux du capteur : composante Y
5.2.5. Les signaux du capteur : composante X
5.3. Les essais de fatigue
5.4. Comparaison entre déchirement et fatigue
5.5. La surface de rupture
6. SYNTHÈSE
7. PERSPECTIVES
8. CONCLUSION

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