CA3041166C - Procede de controle non destructif par ultrasons d'un assemblage colle - Google Patents

Abstract

Procédé de contrôle non destructif par ultrasons d'un assemblage collé (1), Il comprend deux étapes consistants à mesurer une épaisseur d'un joint de colle (7) de l'assemblage collé (1) au moyen d'un transducteur ultrasonore (9) disposé sur l'ensemble collé (1) dans une position déterminée, et mesurer le niveau d'adhésion de pièces de l'assemblage collé (1) au moyen du même transducteur ultrasonore (9) maintenu dans ladite position déterminée, le niveau d'adhésion étant mesuré au moyen d'ondes de Lamb à ZGV (13).

Description

1 PROCEDE DE CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR ULTRASONS D'UN ASSEMBLAGE COLLE DOMAINE TECHNIQUE

[0001] La presente invention concerne un procede de controle non destructif (CND) d’un milieu multicouches anisotrope, type composite, et en particulier un procede de controle quantitatif du niveau d’adhesion d’un joint de colle d’un assemblage colle destine a supporter un effort mecanique. ETAT DE L’ART

[0002] Les materiaux composites offrent de nombreux avantages par rapport aux materiaux metalliques utilises de maniere conventionnelle dans Ie domaine de I’aeronautique. Parmi les avantages de ces materiaux composites, on peut citer leur grand rapport raideur/masse, leur bonne resistance a la fatigue et a la corrosion, et la bonne adaptabilite de leurs proprietes mecaniques aux sollicitations specifiques qu'ils rencontrent au cours de leur utilisation.

[0003] L’utilisation de materiaux composites permet done un allegement consequent des structures. A titre d'exemple, dans I’aviation civile, I'usage des materiaux composites permet une reduction de la masse des pieces de 20% pour une raideur structurale egale voire meme superieure. Cela induit une economie estimee a 6% sur la masse totale de I'avion, equivalant a de fortes economies de carburant.

[0004] Cependant, les materiaux composites, par leurs caracteristiques intrinseques, supportent difficilement Ie boulonnage ou Ie rivetage et ne peuvent pas etre soudes. Ils necessitent done d’etre coIles pour etre assembles. Pour repondre aux normes de securite, il faut que ces structures assemblees puissent etre inspectees regulierement et de maniere fiable, avec un diagnostic permettant de quantifier la tenue mecanique de I’assemblage colle. Dans ce contexte, I’aptitude a evaluer rapidement I'etat d'une structure assemblee par collage presente des difficultes : il faut demonter partiellement certains organes pour permettre I'acces aux structures internes, obligeant ainsi un aeronef inspecte a etre immobilise en atelier. Bien qu’il existe de nombreuses methodes d'evaluation non-destructives, la plus simple etant sans doute I'inspection visuelle, les methodes classiques actuelles ne5 10 15 20 25 30 CA 03041166 2019-04-18 2 permettent pas une reelle quantification de la tenue mecanique d’un assemblage colle.

[0005] Faute de methode appropriee pour controler quantitativement la qualite des collages, il est difficile (voire impossible) de mesurer Ie niveau d’adhesion de ces structures assemblies, et ainsi de tester, prouver et garantir leur qualite et leur fiabilite. Ceci empeche une generalisation des techniques de collage comme moyen d’assemblage et done une generalisation de (’utilisation de pieces structurelles en materiaux composite dans I’industrie aeronautique.

[0006] Afin de pallier ce manque, des techniques CND realisees a I’aide d’ondes ultrasonores sont etudiees depuis quelques annees, comme par exemple dans les documents Cho H. et al. : « Evaluation of the Thickness and Bond Quality of Three-Layered Media using Zero-Group-Velocity Lamb Waves » ou Geslain A. et al. « Spatial Laplace transform for complex wavenumber recovery and its application to the analysis of attenuation in acoustic systems ». S’agissant d’ondes mecaniques, ces ondes seraient les plus a meme de sonder une tenue mecanique (ou niveau d’adhesion). Ces dernieres annees, les etudes se sont en particulier portees sur une categorie d’ondes ultrasonores, les ondes de Lamb a vitesse de groupe nulle (Ondes de Lamb a ZGV).

[0007] Dans un milieu d'epaisseur finie (cas d'une plaque dans Ie vide, par exemple) deux ondes de surface peuvent se propager sans interagir sur chacune des interfaces libres tant que I'epaisseur de la plaque est grande devant la longueur d'onde A de I’onde de surface. Lorsque I'epaisseur de la plaque est du meme ordre de grandeur que A, il apparait d’autres ondes qui resultent du couplage des differentes ondes partielles aux interfaces solide/vide de la plaque. Ces ondes de plaque, les ondes de Lamb, sont dispersives et ont la particularite de creer un champ de deplacement dans la totalite de I'epaisseur de la structure.

[0008] On appelle ondes de Lamb fuyantes un cas particulier d’ondes de Lamb se propageant dans la structure a partir du lieu de leur generation ; par opposition aux ondes de Lamb a vitesse de groupe nulle (Ondes de Lamb a ZGV) dont I’energie acoustique reste confinee sous Ie lieu de la generation acoustique.

[0009] De maniere classique et connue en soi, I'etude de la propagation des ondes de Lamb requiert Ie calcul des courbes de dispersion, qui peut etre represente par les profils de vitesse de phase en fonction d’un produit frequence-epaisseur.5 10 15 20 25 30 CA 03041166 2019-04-18 3

[0010] Le controle non destructif de plaques et de tubes d’assemblages colles peut ainsi etre assure par des ondes de Lamb fuyantes se propageant dans le milieu etudie. De maniere connue en soi, pour un materiau donne, il existe un ensemble de resonances d’ondes de Lamb a ZGV et leur detection fournit une mesure absolue et locale du coefficient de Poisson. Ces modes non propagatifs peuvent ainsi etre exploites pour caracteriser des structures multicouches. EXPOSE DE L’INVENTION

[0011] Cette demande d’invention propose une nouvelle methode pour realiser une evaluation non destructive et quantitative des collages a I’aide, notamment, d’ondes de Lamb fuyantes ou d’ondes de Lamb a ZGV.

[0012] Ainsi, la presente invention a pour objet un procede de controle non destructif par ultrasons d’un assemblage colie, caracterise en ce qu’il comprend les etapes consistant a : - mesurer une epaisseur d’un joint de colie de I’assemblage colie au moyen d’un transducteur ultrasonore dispose sur I’ensemble colle dans une position determinee, - mesurer le niveau d’adhesion de pieces de I’assemblage colle au moyen du meme transducteur ultrasonore maintenu dans ladite position determinee, le niveau d’adhesion etant mesure au moyen d’ondes de Lamb a ZGV, et en ce que le au moins un element emetteur du transducteur est utilise pour emettre des ondes de Lamb a ZGV dans le joint de colle et est spatialement positionne de maniere a creer un peigne spatial periodique dont le au moins un element emetteur change de position lors de chaque acquisition, et dans lequel au moins un autre element du transducteur est utilise pour acquerir les ondes de Lamb a ZGV emises.

[0013] Ce procede permet ainsi avec un unique transducteur de mesurer I’epaisseur du joint de colle dans I’assemblage colle et de quantifier sa tenue mecanique (niveau d’adhesion). Ces deux parametres sont primordiaux pour garantir la bonne conception d’un assemblage colle. Pour ce faire, le procede propose une utilisation innovante du transducteur : la caracterisation de tenue mecanique (niveau d’adhesion) de I’assemblage colle par ondes de Lamb a ZGV est possible5 10 15 20 25 30 CA 03041166 2019-04-18 4 moyennant la connaissance des epaisseurs considerees dans I’assemblage colle, en particulier celle du joint de colle. Or, la premiere etape du procede consiste precisement a mesurer cette epaisseur. Cette nouvelle utilisation du transducteur permet done de realiser les deux mesures successivement sans toucher au dispositif experimental. Le controle est alors tres simple et rapide a realiser en environnement industriel.

[0014] Le procede selon I'invention peut comprendre une ou plusieurs des caracteristiques suivantes, prises isolement les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - le proceder peut mesurer les epaisseurs de differentes couches de la structure collee au moyen d’un transducteur ultrasonore dispose sur I’ensemble colle dans une position determinee, - le transducteur ultrasonore est un transducteur multielement, - la mesure d’epaisseur du joint est realisee au moyen d’une methode de mesure de temps de vol acoustique en reflexion, - I’acquisition est faite dans le domaine temporel et spatial de maniere a obtenir des courbes de dispersion destinees a etre comparees avec un modele de simulation permettant la modelisation de parametres du niveau d’adhesion ou avec un abaque de courbes de dispersions prenant en compte les epaisseurs de I’assemblage et la quantification de la tenue mecanique du collage, cette comparaison permettant de quantifier la tenue mecanique de I’assemblage colle, - les courbes de dispersions sont obtenues par inversion des ondes detectees selon une approche Bi-FFT ou une methode de decomposition en valeurs singulieres (SVD), - I’acquisition des ondes de Lamb a ZGV est faite, en particulier, dans le domaine temporel de maniere a obtenir une image de type B-scan du signal ultrasonore des ondes de Lamb a ZGV. - les courbes de dispersion des ondes de Lamb a ZGV associees aux B-Scan enregistres sont obtenues soit par simple Bi-FFF du B-scan soit par une approche dite de decomposition en valeur singuliere (SVD).5 10 15 20 25 30 CA 03041166 2019-04-18 5 - les courbes de dispersions ainsi obtenues sont destinees a etre comparees avec un modele de simulation permettant la modelisation de parametres du niveau d’adhesion, et - plusieurs peignes glissants sont successivement crees pour generer successivement differents modes ZGV, les parametres de chaque niveau d’adhesion ainsi mesures etant utilises pour superposer les simulations aux experimentations et ainsi mesurer Ie niveau d’adhesion du joint de colle. DESCRIPTION DES FIGURES

[0015] L’invention sera mieux comprise et d’autres details, caracteristiques et avantages de l’invention apparaitront plus clairement a la lecture de la description suivante faite a titre d’exemple non limitatif et en reference aux dessins annexes dans lesquels : - la figure 1 est un schema illustrant Ie deroulement de la premiere etape d’un procede selon l’invention realisee au moyen d’une methode de mesure de temps de vol acoustique en reflexion, - la figure 2 est un schema illustrant Ie deroulement de la deuxieme etape d’un procede selon l’invention, - la figure 3 est un schema d’acquisition avec un peigne glissant necessaire a I’obtention des courbes de dispersion pour observer les modes a ZGV des ondes de Lamb considerees. DESCRIPTION DETAILLEE

[0016] On se refere a present a la figures 1. Elle montre un echantillon d’un assemblage colle 1 soumis a la premiere etape du procede decrit. L’assemblage colle 1 est un assemblage compose d’une premiere couche 3 constituee d’un premier materiau composite et d’une deuxieme couche 5 constituee du meme ou d’un deuxieme materiau composite ou non, assemblies entre elles par un joint de colle 7.

[0017] Un dispositif ultrasonore 9 est pose au contact de I’echantillon d’assemblage colle 1. En effet, Le dispositif ultrasonore 9 de I’exemple illustre est un transducteur 9 ultrasonore multielements 11 fonctionnant au contact. Les caracteristiques intrinseques du transducteur 9 (plan ou souple, nombre d’elements6 11, dimensions, fréquence centrale, etc.) peuvent différer selon l’assemblage collé 1 considéré pour optimiser la génération/détection des phénomènes physiques mis en jeu, notamment l’émission et l’acquisition d’un signal ultrasonore 12 émis. L’ensemble du procédé est réalisé en mettant un unique transducteur 9 5 multiéléments 11 au contact de l’assemblage collé 1. Ce transducteur 9 est utilisé pour l’ensemble du procédé (les deux étapes) et n’est pas déplacé avant la fin du procédé.

[0018] La première étape du procédé est destinée à mesurer l’épaisseur du joint de colle 7 de l’assemblage collé 1 à l’aide de l’émission et de l’acquisition d’un signal 10 ultrasonore 12. Cette première étape est réalisée selon une méthode classique impulsion/écho et mesure de temps de vol.

[0019] La figure 1 illustre cette étape. Elle consiste à réaliser une mesure de temps de vol acoustique en réflexion, t1, t2. Cette approche est bien décrite dans les procédures de certification d’ultrasons du Comité Sectoriel Aérospatial de Certification, 15 UT COSAC. Il s’agit de mesurer le temps t1, t2 nécessaire à un parcours acoustique aller/retour et, connaissant la vitesse acoustique dans les matériaux 3, 5, 7 parcourus, il est aisé de quantifier les épaisseurs e1, e2 des matériaux 3, 5, 7 sous le transducteur 9. Cette méthode est applicable à un transducteur 9 multiéléments 11. 20 [0020] Les figures 2 et 3 illustrent le fonctionnement de la deuxième étape du procédé. Cette deuxième étape est une mesure d’adhésion par ondes de Lamb à ZGV 13. Les ondes de Lamb à ZGV 13 sont des résonances ultrasonores de structures restent confinées sous la source d’excitation. L’énergie de ces ondes 13 est donc très peu dissipée spatialement et ces ondes 13 ont une longue durée de vie et une forte 25 interaction avec la matière. Comme mentionné ci-dessus, il a été démontré que ces ondes 13 peuvent permettre de sonder la qualité d’un assemblage collé 1 moyennant que l’on connaisse les épaisseurs caractéristiques des différentes couches de l’assemblage collé 1. Il faut donc connaître l’épaisseur du joint de colle 7. Cette épaisseur est connue grâce à la première étape du procédé. 30 [0021] Ces ondes 13 sont difficiles à émettre/détecter et à ce jour, seuls les ultrasons-laser ont permis de les émettre/détecter. Ainsi, pour générer les modes de Lamb à ZGV 13 dans l’assemblage collé 1, le procédé utilise le même transducteur 9 multiéléments 11 que celui utilisé pour réaliser la première étape du procédé. La deuxième étape du procédé est réalisée juste après la mesure d’épaisseur du joint 5 10 15 20 25 30 CA 03041166 2019-04-18 7 de colle 7 et Ie transducteur 9 n’a ete ni touche ni deplace entre les deux etapes du procede.

[0022] Une partie des elements 11 du transducteur 9 est utilisee en tant qu’elements emetteurs 15 et I’autre partie des elements 11 est utilisee en mode reception.

[0023] Pour optimiser la generation des modes de Lamb a ZGV 13, les elements 15 du transducteur 9 travaillant en mode emission sont spatialement positionnes de telle sorte qu’ils creent une excitation spatialement periodique (selon I’axe Z parallele aux differentes couches de materiaux 3, 5, 7 de I’assemblage colle 1), comme illustre sur les figures 2 et 3. On appelle cette excitation spatialement periodique selon Z « un peigne spatial de generation ».

[0024] La periode de peigne est choisie pour correspondre a la longueur d’onde du mode ZGV des ondes de Lamb a ZGV 13 desire. Les elements emetteurs 15 du transducteur 9 ont done une distribution spatiale en forme de peigne, repartie sur toute la surface du transducteur 9. Les autres elements 11 du transducteur 9 multielements 11 fonctionnent en mode reception et enregistrent un signal resolu en temps.

[0025] L’acquisition 17 est faite dans Ie domaine temporal pour chaque element 11 et permet d’obtenir une image en mode B-Scan de la propagation du signal ultrasonore 19. Une transformation mathematique dans I'espace reciproque (longueur d’ondes et frequences ultrasonores) est ensuite realisee pour obtenir des courbes de dispersion des ondes de Lamb a ZGV 13 emises par I’element emetteur 15. La transformation est preferentiellement faite en utilisant une approche mathematique SVD (Singular Value Decomposition) mais peut aussi etre realisee en utilisant une simple approche mathematique dite bi-FFT. Pour etre inversee en utilisant une approche SVD, Ie peigne doit etre glissant, comme illustre sur la figure 5. C’est-a-dire que lors de chaque acquisition 17, les elements emetteurs 15 changent de position. En hachure, on a represente, pour chaque emission/acquisition 17, I’element emetteur 15 alors que les elements recepteurs 11 sont presentes en blanc.

[0026] Les courbes de dispersions sont obtenues de la meme maniere que lors de la premiere etape en realisant une transformation inverse du signal 13, selon une approche mathematique qui peut etre Bi-FFT ou SVD. Pour etre inversee en utilisant une approche SVD, Ie peigne doit etre glissant, comme illustre sur la figureCA 03041166 2019-04-18 8 3. . C’est-a-dire que lors de chaque acquisition 17, les elements emetteurs 15 changent de position.

[0027] Les courbes de dispersions des modes de Lamb a ZGV 13 sont ensuite exploitees par comparaison avec un modele de simulation ou une raideur d’interface 5 (niveau d’adhesion) est modelisee. Plusieurs peignes differents peuvent etre successivement crees pour generer successivement differents modes ZGV.

[0028] Les parametres de la raideur d’interface sont utilises pour superposer les simulations aux experimentations et ainsi mesurer ces niveaux d’adhesion qui comportent une signature de la qualite du collage realise et done de la fiabilite du io joint de colle 7 et done de I’assemblage colie 1.

Claims (5)

1. 9 REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle non destructif par ultrasons d’un assemblage collé (1), caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistants à : - mesurer une épaisseur d’un joint de colle (7) de l’assemblage collé (1) au moyen d’un transducteur ultrasonore (9) disposé sur l’ensemble collé (1) dans une position déterminée, - mesurer le niveau d’adhésion de pièces de l’assemblage collé (1) au moyen du même transducteur ultrasonore (9) maintenu dans ladite position déterminée, le niveau d’adhésion étant mesuré au moyen d’ondes de Lamb à ZGV (13) et au moyen de l’épaisseur mesurée à l’étape précédente, et en ce que : - le transducteur ultrasonore (9) est multiéléments (11) et comprend : - des éléments (15) travaillant en mode émission pour émettre des ondes de Lamb à ZGV (13) dans le joint de colle (7) et présentant une distribution spatiale en forme de peigne répartie sur toute la surface du transducteur (9) de manière à créer un peigne spatial périodique, la période du peigne étant choisie pour correspondre à la longueur d’onde du mode ZGV des ondes de Lamb à ZGV au moins un élément émetteur (15) changeant de position lors de chaque acquisition (17), et - d’autres éléments (11) utilisés pour acquérir (17) les ondes de Lamb à ZGV (13) émises.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, la mesure d’épaisseur du joint de colle (7) est réalisée au moyen d’une méthode de mesure de temps de vol acoustique en réflexion.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’acquisition (17) est faite dans le domaine temporel et spatial de manière à obtenir des courbes de dispersion destinées à être comparées avec un modèle de simulation permettant la modélisation de paramètres du niveau d’adhésion ou avec un abaque de courbes de dispersion. 10
4. 4. Procédé selon la revendication 3 où les courbes de dispersions sont obtenues par inversion des ondes (19, 13) détectées selon une approche Bi-FFT ou une méthode de décomposition en valeurs singulières (SVD).
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel plusieurs peignes glissants sont successivement créés pour générer successivement différents modes ZGV, les paramètres de chaque niveau d’adhésion ainsi mesurés étant utilisés pour superposer les simulations aux expérimentations et ainsi mesurer le niveau d’adhésion du joint de colle (7).