UT - TOFD : Résultats sur les bords hauts d'entailles

Capteurs utilisés

Les différentes simulations ont été menées avec 3 traducteurs au contact dont voici les propriétés :

 

Fréquence nominale Fréquence réelle Pastille Mode Angle de réfraction nominal Angle de réfraction réel
5 MHz 4,85 MHz Ø6,35 mm L60 60° 59°
L45 45° 44.5°
L70 70° 70°

 

Pour plus d'informations, se référer à la page "PRÉSENTATION DES CONFIGURATIONS ÉTUDIÉES"

Configuration

La pièce utilisée pour évaluer la réponse de bords hauts d’entailles est une pièce parallélépipédique de 30 mm d’épaisseur. Elle contient des entailles de différentes hauteurs débouchant en fond de pièce, en voici une illustration :

 

 

Ces entailles mesurent 15 mm de long et ont respectivement les hauteurs : 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 7,5 mm, 10 mm, 12,5 mm et 15 mm.

Un exemple de Cscan expérimental obtenu lors d’une inspection TOFDT avec les capteurs contact L60 est présenté ci-dessous pour un PCS de 60  mm. On observe ici les échos associés aux bords hauts des entailles de hauteurs 15, 12,5, 10, 7,5 et 5 mm. Notons que les signaux correspondant au bord haut de l’entaille et à l’onde latérale sont en opposition de phase.

 

 

Note : Notons que l’image Cscan présente un décalage entre les lignes paires et impaires. Ce phénomène résulte d’un hystérésis mécanique se produisant fréquemment entre les deux sens de balayages de capteurs au contact.

Variation de PCS sur bords hauts d’entailles

L’inspection TOFDT a été réalisée sur la cale contenant des entailles en faisant varier le PCS. Quand le PCS augmente on observe que :

  • Les axes L théoriques des deux capteurs se croisent au-dessus puis au-dessous du bord haut des entailles.
  • Les angles de réfraction des rayons incidents sur le bord haut augmentent avec le PCS.

Pour certaines entailles et PCS il n’y a pas de mesure d’amplitude de l’écho de diffraction du bord haut, soit parce que cet écho est mélangé à l’écho de fond (cas parfois des entailles de petites hauteurs), soit parce qu’il est trop faible.

Pour chaque capteur, les profondeurs de croisement des faisceaux par rapport au bord haut d’entaille, ainsi que les angles de réfraction sur le bord haut d’entaille sont mesurées pour chaque PCS. Les figures ci-dessous illustrent ces valeurs :

 

Résultats sur bord hauts d’entailles en mode L60

L’inspection TOFDT a été réalisée sur la cale contenant des entailles, positionnées sur le fond de la pièce, en faisant varier le PCS de 35 mm à 100 mm. La différence de profondeur entre le bord haut et le point de croisement des axes L des capteurs en fonction du PCS et de la hauteur de l’entaille est indiquée dans le tableau ci-dessous :

 

Ecarts à la profondeur de croisement (mm) PCS (mm)
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Hauteur d'entaille (mm) 4             7,2 5,8 4,3 2,9 1,4 0,0 -1,5 -2,9
5         9,1 7,7 6,2 4,8 3,3 1,9 0,4 0,0 -1,5 -2,9
7,5         6,6 5,2 3,7 2,3 0,8 -0,6 -2,1 -3,5 -5,0 -6,4
10   8,4 7,0 5,5 4,1 2,7 1,2 -0,2 -1,7 -3,1 -4,6 -6,0 -7,5  
12,5 7,4 5,9 4,5 3,0 1,6 0,2 -1,3 -2,7 -4,2 -5,6 -7,1 -8,5    
15 4,9 3,4 2,0 0,5 -0,9 -2,3 -3,8 -5,2 -6,7 -8,1 -9,6      

 

Note : Les angles supérieurs à 60° ont été mis en relief.

 

De plus, les angles de réfraction sur un bord haut d’entaille en fonction du PCS et de la hauteur de l’entaille sont :

 

Angle de réfraction (°) PCS (mm)
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Hauteur d'entaille (mm) 4             51 53 55 57 59 60 61 63
5         48 50 52 54 56 58 60 61 62 63
7,5         51 53 55 57 59 61 62 63 65 66
10   45 48 51 54 56 58 60 62 63 65 66 67  
12,5 45 49 52 55 58 60 62 63 65 66 68 69    
15 49 53 56 59 61 63 65 67 68 69 71      

 

Note : Les angles supérieurs à 60° ont été mis en relief.

 

 

L’angle de réfraction minimum est 45° (PCS 35 mm, entaille de 12,5 mm), et l’angle maximum est 71° (PCS 85 mm, entaille de 15 mm). Certains échos, notamment des entailles de hauteurs inférieures à 10 mm, n’ont pas été mesurés car ils sont trop faibles.

 

Amplitudes maximales sur bords hauts d’entailles en mode L60

Les amplitudes des échos de diffraction du bord haut des entailles de différentes hauteurs pour des PCS allant de 35 à 100 mm sont présentées ci-dessous. Les résultats expérimentaux sont comparés aux simulations réalisées sous CIVA 10. Les résultats sont étalonnés par rapport à un TG de Ø2 mm à 20 mm de profondeur inspecté avec un PCS de 70 mm.

Le trait bleu pointillé indique le PCS pour laquelle la profondeur du point de croisement des axes L correspond au bord haut de l’entaille.

 

 

Quelle que soit la hauteur de l’entaille, l’écho d’amplitude maximale est obtenu pour le PCS correspondant à un point de croisement des axes longitudinaux situés à la profondeur du bord haut. L’évolution de l’amplitude de l’écho du bord haut en fonction du PCS est bien prédite par CIVA : les écarts maximums observés sont de 3 dB environ entre la simulation et l’expérience.

 

Ecart Mesure/Simulation (dB) PCS (mm)
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Hauteur d'entaille (mm) 4             2,8 2,8 2,6 2,1 1,7 1,3 0,9 0,4
5         -1,4 1,0 1,8 2,6 2,4 1,8 1,5 1,3 -0,5 -0,5
7,5         2,1 2,7 2,9 2,0 1,7 2,0 1,8 0,9 -0,7 -0,9
10   -3,2 -1,4 -1,0 1,0 1,2 1,5 2,1 2,3 1,5 0,5 -0,5 -1,5  
12,5 -3,1 0,4 0,2 1,2 2,3 1,9 1,0 0,2 0,3 0,5 -0,1 -1,3    
15 -1,5 0,1 0,5 1,1 1,6 1,8 1,2 1,2 0,7 0,0 -1,0      

 

Note : Les écarts supérieurs à 2 dB ont été mis en relief.

 

A-scans et phase sur bords hauts d’entailles en mode L60

Les Ascans expérimentaux (en noir) et simulés (en rouge) des échos de diffraction du bord haut des entailles de différentes hauteurs sont présentés pour 3 PCS (50, 70 et 90 mm) après avoir été normalisés en amplitude.

 

 

Les Ascans simulés sont très proches de ceux mesurés. Comme le signal d’entrée de chacun des capteurs dans CIVA a été défini de sorte que les formes temporelles de l’écho mesuré et simulé d’un TG de Ø2 mm situé à 8 mm de profondeur et détecté en mode pulse-écho soient semblables, les résultats montrent que les formes d’ondes des échos de TG obtenus lors d’un contrôle TOFDT ou pulse-écho sont correctement simulées par CIVA.

Dans le cas de l’entaille de 15 mm, les écarts de temps de vol des échos de diffraction du bord haut (mesurés et simulés) sont de 0,2 µs à 0,4 µs, ce qui est de l’ordre de l’incertitude de mesure sur les temps de vol.

Résultats sur bords hauts d’entailles en mode L45

L’inspection TOFDT a été réalisée sur la cale contenant des entailles, positionnées sur le fond de la pièce, en faisant varier le PCS de 25 mm à 60 mm. La différence de profondeur entre le bord haut et le point de croisement des axes L des capteurs en fonction du PCS et de la hauteur de l’entaille est indiquée dans le tableau ci-dessous :

 

Ecart à la profondeur de croisement (mm) PCS (mm)
25 30 35 40 45 50 55 60
Hauteur d'entaille (mm) 5     7,5 5,0 2,5 0,0 -2,5 -5,0
7,5   7,5 5,0 2,5 0,0 -2,5 -5,0 -7,5
10 7,5 5,0 2,5 0,0 -2,5 -5,0 -7,5 -10
12,5 5,0 2,5 0,0 -2,5 -5,0 -7,5 -10 -12,5
15 2,5 0,0 -2,5 -5,0 -7,5 -10 -12,5 -15

 

Note : Les valeurs positives ont été mises en relief.

 

De plus, les angles de réfraction sur un bord haut d’entaille en fonction du PCS et de la hauteur de l’entaille sont :

 

Angle de réfraction (°) PCS (mm)
25 30 35 40 45 50 55 60
Hauteur d'entaille (mm) 5     35 39 42 45 48 50
7,5   34 38 42 45 48 51 53
10 32 37 41 45 48 51 54 56
12,5 36 41 45 49 52 55 58 60
15 40 45 49 53 56 59 61 63

 

Note : Les angles supérieurs à 45° ont été mis en relief.

 

 

L’angle de réfraction minimum est 32° (PCS 25  mm, entaille de 10 mm, l’angle maximum est 63° (PCS 60 mm, entaille de 15 mm).

 

Amplitudes maximales sur bords hauts d’entailles en mode L45

Les amplitudes des échos de diffraction du bord haut des entailles de différentes hauteurs pour des PCS allant de 25 à 60 mm sont présentées ci-dessous. Les résultats expérimentaux sont comparés aux simulations réalisées sous CIVA 10. Les résultats sont étalonnés par rapport au TG de Ø2 mm à 20 mm de profondeur inspecté avec un PCS de 40 mm.

Le trait bleu pointillé indique le PCS pour laquelle la profondeur du point de croisement des axes L correspond au bord haut de l’entaille.

 

 

Les écarts entre les amplitudes mesurées et simulées avec CIVA 10 sont affichés dans le tableau suivant :

 

Ecart Mesure/Simulation (dB) PCS (mm)
25 30 35 40 45 50 55 60
Hauteur d'entaille (mm) 5     -7,8 -6,9 -7,2 -5,6 -3,7 -2,6
7,5   -8,6 -7,8 -6,6 -5,4 -4,1 -2,0 -1,3
10 -11,7 -7,8 -7,1 -5,0 -3,0 -1,8 -1,5 -2,2
12,5 -9,4 -8,1 -6,2 -2,7 0,1 -0,2 -1,1 -4,1
15 -7,7 -5,3 -3,2 1,5 0,3 -2,4 -5,5 -7,8

 

Note : Les écarts supérieurs à 2 dB ont été mis en relief.

 

Contrairement au cas précédent en L60, la comparaison des résultats de simulation et expérimentaux montre des écarts importants aux petits PCS et également quand le point de croisement des axes L se trouve à la profondeur du bord haut. Aux faibles PCS, les écarts mesurés avoisinent les 6 dB et peuvent atteindre jusqu’à 11 dB avec une sous-estimation systématique de l’amplitude quelque soit la hauteur du défaut. Lorsque le PCS augmente, les écarts se réduisent, d’autant plus rapidement que la hauteur du défaut est grande. Les raisons de ces écarts seront discutées ultérieurement.

 

Ascans et phase sur bords hauts d’entailles en mode L45

Les Ascans expérimentaux (en noir) et simulés (en rouge) des échos de diffraction du bord haut des entailles de différentes hauteurs sont présentés pour 3 PCS (25, 40 et 50 mm) après avoir été normalisés en amplitude.

 

 

Les Ascans simulés sont très proches de ceux mesurés sauf pour l’entaille de 10 mm et le PCS de 25 mm pour lesquels le Ascan expérimental est plus « long », c’est-à-dire plus bande étroite, que le signal simulé. Le Ascan simulé de l’entaille de hauteur 10 mm a changé de phase par rapport à ceux des entailles de 15 mm et 12,5 mm pour le même PCS. Ce changement de phase apparaît aussi sur les Ascans expérimentaux, mais de façon moins marquée. Par ailleurs, l’écho simulé est un peu trop « basse fréquence » au PCS de 50 mm pour les entailles de 7,5 mm et 5 mm.

Résultats sur bords hauts d’entailles en mode L70

L’inspection TOFDT a été réalisée sur l’entaille de hauteur 15 mm débouchante au fond de la pièce, en faisant varier le PCS de 35 mm à 120 mm. La différence de profondeur entre le bord haut et le point de croisement des axes L des capteurs en fonction du PCS est indiquée dans le tableau ci-dessous :

 

Ecart à la profondeur de croisement (mm) PCS (mm)
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 120
Hauteur d'entaille 15 mm 7,7 6,8 5,9 5,0 4,1 3,1 2,2 1,3 0,4 -0,5 -1,4 -2,3 -3,2 -4,1 -5,1 -6,9

 

Note : Les valeurs positives ont été mises en relief.

 

De plus, les angles de réfraction sur le bord haut de l’entaille en fonction du PCS sont :

 

Angle de réfraction (dB) PCS (mm)
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95/td> 100 105 110 120
Hauteur d'entaille 15 mm 49 53 56 59 61 63 65 67 68 69 71 72 72 73 74 75 76

 

Note : Les valeurs supérieures à 70° ont été mis en relief.

 

L’angle de réfraction minimum est 49° (PCS 35 mm) et l’angle maximum est 76° (PCS 120 mm).

 

Amplitudes maximales sur bords hauts d’entailles en mode L70°

Les amplitudes expérimentales des échos de diffraction du bord haut sont comparées à celles simulées avec CIVA 10 (figures ci-dessous). Les résultats sont étalonnés par rapport au TG de Ø0,7 mm à 10 mm de profondeur inspecté avec un PCS de 55 mm.

Le trait bleu pointillé indique le PCS pour laquelle la profondeur du point de croisement des axes L correspond au bord haut de l’entaille.

 

 
 
PCS (mm) 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120
Ecart Mesure/Simulation (dB) -1,6 -1,1 1,0 1,3 1,3 1,6 1,2 1,1 0,8 0,8 0,6 0,5 0,3 0,7 0,7 0,6 0.4

 

Ces amplitudes sont en bon accord (écarts inférieurs à 2 dB).

Conclusion

Le but de cette étude était de valider les prédictions de CIVA pour des inspections TOFDT au contact. Différentes configurations ont été étudiées dans le but de valider les échos de diffraction d’entailles droites. 

Pour les entailles, les temps de vol, pour l’écho du haut et du bas de l’entaille, sont correctement prédits par CIVA. Ce n’est pas toujours le cas pour les amplitudes, même si on obtient globalement un très bon accord pour la plupart des configurations étudiées. Il existe dans certains cas des différences entre les amplitudes simulées et expérimentales. Les plus importantes apparaissent pour les inspections en L45 lorsque le PCS est très faible ou très grand.

Parmi les origines possibles de ces écarts, deux paramètres ont été étudiés. Des comparaisons entre les résultats TOFDT expérimentaux en L45 avec ceux obtenus par simulation avec un autre module de simulation CIVA-ATHENA2D ont permis de confimer l’influence de ces deux paramètres :

  • L’ouverture de l’entaille
  • La modélisation GDT 2D/3D

Cependant ces deux paramètes ne permettent pas à eux seuls de justifier tous les écarts, et des études complémentaires sont toujours en cours afin de compléter cette analyse.

 

Ouverture de l’entaille

CIVA ne prend pas en compte l’ouverture de l’entaille. Par conséquent, nous avons utilisé un module couplant CIVA avec le code Eléments Finis pour pouvoir prendre en compte ce paramètre. Dans ce cas, les calculs sont effectués dans le plan d’inspection.

Des études ont montré que les échos de diffraction d’une entaille (bords bas et haut) étaient reliés à l’ouverture de l’entaille. L’amplitude des échos de diffractions augmente avec l’ouverture pour certains angles d’incidence. Cette augmentation est due à la contribution de l’écho spéculaire sur le bord haut de l’entaille et à la contribution d’une onde rasante sur le bord bas.

L’effet de l’ouverture de l’entaille a été pris en compte dans les simulations effectuées avec CIVA-ATHENA2D en L60 à 5 MHz et 7,5 MHz et L45 à 5 MHz. L’ouverture de l’entaille est de 0,2 mm. Les amplitudes obtenues avec CIVA-ATHENA2D sont comparées avec les amplitudes expérimentales et celles fournies par CIVA. La figure suivante montre que la prise en compte de l’ouverture de l’entaille par CIVA-ATHENA2D permet d’obtenir des résultats proches de ceux obtenus expérimentalement.

 

 

Compte tenu des résultats obtenus avec CIVA, il est à noter que :

  • Prendre en compte l’ouverture de l’entaille ne modifie pas l’écho du bord haut d’une entaille lorsque le PCS utilisé permet d’obtenir des résultats concordant avec l’expérience.
  • Pour des faibles PCS, pour lesquels il existe des différences entre simulation et expérience, la prise en compte de l’ouverture de l’entaille modifie l’écho de diffraction du haut. Son amplitude augmente et atteint des valeurs proches de celles mesurées expérimentalement. De plus, l’amplitude ainsi simulée est plus forte que celle obtenue pour une ouverture d’entaille nulle.
  • Pour des valeurs de PCS élevées, pour lesquelles nous avons observé l’existence de différences entre l’expérience et la simulation, la prise en compte de l’ouverture de l’entaille ne modifie pas l’amplitude de l’écho de diffraction du bord haut de l’entaille.

La même étude menée sur les échos de bords bas mène aux mêmes conclusions.

 

Modélisation GTD 2D/3D

Dans CIVA 10, une approximation est faite sur les coefficients de diffraction GTD utilisés lors du calcul des échos de diffraction des bords des entailles. Ce sont des coefficients « 2D », c’est-à-dire qu’ils sont définis pour des rayons incidents arrivant sur un bord et qui sont contenus dans un plan (P) perpendiculaire à ce dernier. Ces rayons incidents génèrent des rayons diffractés eux-mêmes contenus dans ce même plan (P). Les rayons incidents sur le bord du défaut qui ne sont pas contenus dans ce plan y sont projetés afin de pouvoir utiliser ces coefficients « 2D ». Dans les cas étudiés précédemment, les bords des entailles étant parallèles à la surface de la pièce, les effets « 3D » sont dus uniquement à la divergence du capteur dans le plan perpendiculaire au plan d’incidence. La prise en compte de coefficients GTD 3D a été évaluée et permet d’améliorer certains résultats. Ainsi la version CIVA 11 intègre la prise en compte de ces coefficients GTD 3D.

 

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