FR2979018A1

FR2979018A1 - Dispositif de controle par ultrasons d'une piece

Info

Publication number: FR2979018A1
Application number: FR1157319A
Authority: FR
Inventors: Jean-Yves Francois Roger Chatellier; Olivier Lespinet
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2013-02-15
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: FR2979018B1

Abstract

Dispositif (52) de contrôle par ultrasons du volume d'une pièce présentant au moins une surface courbe (44), comprenant au moins une pièce intermédiaire (58) intercalée entre un transducteur émetteur (58) et la pièce à contrôler, ladite pièce intermédiaire (58) ayant une impédance acoustique sensiblement identique à celle de la pièce à contrôler (42) et comprenant deux surfaces opposées traversées par le faisceau ultrasonore, dont l'une (60) en regard du transducteur émetteur (54) est plane et perpendiculaire à l'axe (53) du faisceau ultrasonore et dont l'autre (62) est incurvée et a une forme complémentaire de celle de la surface courbe (44) de la pièce à contrôler et est en contact avec celle-ci.

Description

DISPOSITIF DE CONTROLE PAR ULTRASONS D'UNE PIECE

L'invention concerne un dispositif de contrôle par ultrasons d'une pièce présentant des zones incurvées et/ou des rayons de raccordement comme par exemple une bride d'accrochage d'un carter de turbomachine. Dans une turbomachine, de nombreuses pièces sont fixées les unes aux autres par boulonnage au moyen de brides radiales. Par exemple, le carter intermédiaire d'une turbomachine comprend à ses extrémités des brides radiales annulaires amont et aval fixées par boulonnage sur une bride radiale d'un carter de soufflante amont et sur une bride radiale d'une paroi cylindrique s'étendant en aval, respectivement. En fonctionnement, les brides radiales et en particulier les parties coudées raccordant les brides radiales au reste du carter subissent de fortes contraintes pouvant conduire à la formation de fissures ou criques internes fragilisant les brides et diminuant leur tenue mécanique. Ceci est particulièrement vrai lorsque le carter est réalisé en matériau composite. En effet, un matériau composite favorise la formation de défauts (soufflures, décohésions localisées des éléments constitutifs du composite, ...) au niveau des zones courbes telles que les rayons de raccordement d'une bride de carter. Pour vérifier l'état de la structure interne d'une pièce, il est connu d'utiliser deux transducteurs plans alignés coaxialement l'un avec l'autre. Un premier des transducteurs est orienté de manière à diriger un faisceau ultrasonore en direction d'une surface de la pièce perpendiculairement à la zone visée et le second transducteur placé à l'opposé du premier transducteur par rapport à la partie coudée et orienté perpendiculairement à la surface en regard de la pièce permet de récupérer les ondes ultrasonores transmises à travers la pièce (fonctionnement en transmission). Les deux transducteurs émetteur et récepteur sont ensuite déplacés simultanément de manière à effectuer un balayage de la pièce en maintenant l'axe du faisceau perpendiculaire à la pièce. Bien que

couramment utilisé dans l'industrie aéronautique, ce type de contrôle ultrasonore présente plusieurs inconvénients quand il faut examiner une partie coudée d'une pièce. En effet, cette partie coudée peut comprendre une surface convexe en regard d'un des transducteurs et une surface concave en regard de l'autre transducteur, et le positionnement correct de ces transducteurs par rapport à ces surfaces et leur déplacement continu pour un balayage de la partie coudée sont d'autant plus difficiles que les rayons de courbure des surfaces sont petits. En outre, seule une faible étendue autour de l'axe du faisceau ultrasonore sur la surface incurvée peut être contrôlée à chaque alignement de sorte que le contrôle de la totalité de la partie coudée de la pièce est long. Ces inconvénients et ces difficultés sont encore aggravés lorsque les surfaces incurvées concave et convexe d'une partie coudée n'ont pas les mêmes centres de courbure. En effet, il n'est pas possible dans ce cas de garantir simultanément la perpendicularité de chacun des axes ultrasonores des transducteurs émetteur et récepteur avec les surfaces respectives concave et convexe en vis-à-vis de la pièce tout en conservant un alignement coaxial des transducteurs émetteur et récepteur. Il s'ensuit une diffraction des ondes ultrasonores aux interfaces formées par les surfaces incurvées concave et convexe (lois de Snell-Descartes). L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue. A cette fin, elle propose un dispositif de contrôle par ultrasons d'une pièce présentant au moins une surface courbe, comprenant au moins un transducteur émetteur plan destiné à émettre un faisceau ultrasonore perpendiculaire à la surface de la pièce à contrôler, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins une première pièce intermédiaire intercalée entre le transducteur émetteur et la pièce à contrôler, ladite pièce intermédiaire ayant une impédance acoustique sensiblement identique à celle de la pièce à contrôler et comprenant deux surfaces opposées

traversées par le faisceau ultrasonore, dont l'une en regard du transducteur émetteur est plane et perpendiculaire à l'axe du faisceau ultrasonore et dont l'autre est incurvée et a une forme complémentaire de celle de la surface courbe de la pièce à contrôler et est en contact avec celle-ci.

Selon l'invention, l'interposition entre le transducteur et la pièce à contrôler d'une pièce intermédiaire ayant une surface plane perpendiculaire au faisceau ultrasonore du transducteur permet un balayage de la surface courbe de la pièce sans modifier l'orientation du transducteur par rapport à la pièce. L'impédance acoustique de la pièce intermédiaire identique à l'impédance acoustique de la pièce à contrôler et le contact entre la surface complémentaire de la pièce intermédiaire et la surface courbe permettent une transmission sans réflexion ou diffraction des ondes ultrasonores à l'interface entre la surface complémentaire de la pièce intermédiaire et la surface courbe de la pièce à contrôler.

Ainsi, le contrôle d'une pièce présentant une surface courbe, telle qu'une bride radiale dans une turbomachine, n'est plus une difficulté du fait de l'utilisation d'une pièce de forme adaptée et d'impédance acoustique identique à celle de la pièce à contrôler. Il est ainsi possible d'effectuer un contrôle de l'intégralité de la partie courbe de la pièce en effectuant des déplacements du transducteur émetteur dans un plan parallèle à la surface plane de la pièce intermédiaire, ce qui facilite et rend plus rapide l'opération de contrôle non destructif. Les différentes pièces à surfaces externes courbes d'une turbomachine peuvent être contrôlées au moyen du dispositif selon l'invention. Le dispositif est rapide à mettre en oeuvre et ne nécessite que des déplacements linéaires des transducteurs. Avantageusement, le dispositif est un dispositif de contrôle en transmission des ondes ultrasonores à travers la pièce. A cette fin, un transducteur récepteur plan est positionné coaxialement au transducteur émetteur et à l'opposé du transducteur émetteur par rapport à la pièce à contrôler pour recevoir les ondes ultrasonores transmises à travers la pièce

intermédiaire et la pièce à contrôler. L'utilisation d'un second transducteur récepteur permet de limiter les effets de l'atténuation ultrasonore à l'intérieur de la pièce à contrôler et de la ou des pièces intermédiaires en ne nécessitant qu'un seul passage des ondes ultrasonores aux travers des pièces précitées par rapport à un dispositif fonctionnant en mode réflexion dans lequel le transducteur émetteur sert également de récepteur. Lorsque la partie courbe de la pièce à contrôler comprend deux surfaces courbes opposées, l'une concave et l'autre convexe, ce qui est très souvent le cas, le dispositif selon l'invention comprend une seconde pièce intermédiaire intercalée entre le transducteur récepteur et la pièce à contrôler, la seconde pièce intermédiaire ayant une impédance acoustique sensiblement identique à celle de la pièce à contrôler et comprenant deux surfaces traversées par le faisceau ultrasonore dont l'une en regard du transducteur récepteur est plane et perpendiculaire à l'axe du faisceau et dont l'autre a une forme incurvée complémentaire de celle de la seconde surface courbe de la pièce à contrôler et est en contact avec celle-ci. Avec ce dispositif, il est parfaitement possible de contrôler la partie rayonnée d'une bride radiale sur toute son épaisseur, les deux pièces intermédiaires assurant une bonne transmission des ondes ultrasonores à leur interface avec la pièce à contrôler et leurs surfaces planes facilitant les déplacements des transducteurs en conservant la perpendicularité avec l'axe des transducteurs émetteur et récepteur. Préférentiellement, les deux transducteurs émetteur et récepteur ont une fréquence centrale de 1 MHz. Cette fréquence de travail assure un bon compromis entre l'atténuation ultrasonore et la résolution nécessaire à la détection des défauts. Selon une autre caractéristique de l'invention, les transducteurs ont un diamètre compris entre 5 et 15 millimètres, de préférence de l'ordre de 10 millimètres. Grâce à l'invention, le diamètre des transducteurs n'est plus un

paramètre limitant pour le balayage de la pièce à contrôler. Il est ainsi possible d'utiliser les transducteurs ayant les caractéristiques dimensionnelles les mieux adaptées à l'obtention de bonnes caractéristiques ultrasonores.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la pièce à contrôler est en matériau composite, par exemple à matrice de torons de fibres de carbone imprégnée d'époxyde. Dans une réalisation particulière de l'invention, la ou les pièces intermédiaires sont réalisées dans le même matériau que la pièce à contrôler, ce qui permet d'avoir une impédance acoustique tout à fait identique pour la ou les pièces intermédiaires et la pièce à contrôler. Selon une autre caractéristique de l'invention, la ou les pièces intermédiaires ont la même étendue que la ou les surfaces courbes de la pièce à contrôler.

Le ou les transducteurs peuvent être portés par un bras robot piloté pour réaliser un balayage comprenant un déplacement le long de la surface plane de la première pièce intermédiaire. Pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, la ou les pièces intermédiaires ainsi que la pièce à contrôler sont immergées dans une cuve remplie d'un liquide, tel que de l'eau, propre à réaliser un couplage pour la propagation des ondes ultrasonores à travers la ou les pièces intermédiaires et la pièce à contrôler jusqu'au transducteur récepteur. L'invention concerne également l'utilisation du dispositif décrit précédemment pour le contrôle d'une bride annulaire d'un carter de turbomachine. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine d'un type connu ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective du carter

intermédiaire de la turbomachine de la figure 1 ; la figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif d'exploration ultrasonore selon la technique antérieure ; la figure 4 est une vue schématique du dispositif selon l'invention.

On se réfère tout d'abord à la figure 1, qui représente une turbomachine 10 comprenant d'amont en aval une soufflante 12, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 16, une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 et une turbine basse pression 22. L'air entrant dans la turbomachine se divise en un flux d'air primaire (flèches A) qui circule à l'intérieur des compresseurs basse et haute pression 14, 16 vers la chambre de combustion 18 puis à travers les turbines haute et basse pression 20, 22, et en un flux d'air secondaire (flèches B) qui contourne le compresseur 14, 16, la chambre de combustion 18 et la turbine 20, 22.

La figure 2 représente une partie d'un carter intermédiaire 24 comprenant une paroi 26 sensiblement cylindrique dont les extrémités amont et aval comportent des brides 28, 29 s'étendant radialement vers l'extérieur. Chaque bride radiale amont 28 et aval 29 du carter 24 comprend des perçages 30 régulièrement répartis autour de l'axe 32 du carter 24. Ces orifices 30 sont destinés au passage de vis de fixation de la bride amont 28 sur une bride radiale 34 correspondante de l'extrémité aval d'un carter de soufflante agencé en amont 36. La bride aval 29 est fixée par boulonnage sur une bride radiale 38 de l'extrémité amont d'une paroi cylindrique 40 agencée en aval du carter intermédiaire.

Comme représenté en figure 3, chaque bride 28, 29 est reliée à la paroi annulaire 26 par une partie rayonnée 42. En fonctionnement, ces parties 42 sont soumises à de fortes contraintes et doivent être exemptes de défauts. Chaque partie rayonnée 42 comprend une surface incurvée convexe 30 44 et une surface opposée incurvée concave 46. Pour le contrôle de ces parties rayonnées 42 ou, plus généralement,

d'une partie coudée à deux surfaces courbes opposées, on peut utiliser deux transducteurs ultrasonores plans dont l'un est un transducteur émetteur 48 et est positionné de manière à ce que son faisceau ultrasonore soit orienté en direction de la surface incurvée convexe 44 et l'autre est un transducteur récepteur 50 agencé coaxialement au transducteur émetteur 48 à l'opposé de la pièce par rapport au transducteur émetteur et de manière à ce que son axe ultrasonore soit dirigé vers la surface incurvée concave 46 de la partie 42. L'examen ultrasonore de la partie 42 est réalisé en effectuant un déplacement simultané des deux transducteurs émetteur 48 et récepteur 50 par rapport à la pièce de façon à ce que leurs axes restent toujours perpendiculaires aux surfaces 44 et 46 et soient confondus. Toutefois, il faut pour cela que les surfaces concave et convexe de la pièce aient en section des profils circulaires et un même centre de courbure. Le transducteur récepteur 50 est alors placé au centre de courbure O1 de la surface incurvée concave. De cette manière, il est possible de faire tourner le transducteur récepteur autour du centre O1 pour maintenir l'axe du transducteur récepteur 50 toujours perpendiculaire à la surface concave 46 de la partie coudée 42 et de faire tourner de même le transducteur émetteur autour du point O1 en maintenant l'alignement des deux transducteurs. Cela impose que le rayon de courbure de la surface incurvée concave 46 soit suffisamment important pour loger le transducteur récepteur 50 sur le centre de courbure O1, ce qui n'est en général pas le cas des surfaces rayonnées, les transducteurs 48, 50 ayant en pratique des diamètres de l'ordre de 5 à 15 millimètres. Pour remédier à ces difficultés ainsi qu'à celles évoqués précédemment, l'invention propose un dispositif de contrôle non destructif par ultrasons permettant de s'affranchir des courbures des surfaces concave et convexe d'une partie coudée ou rayonnée d'une pièce.

Le dispositif 52 selon l'invention représenté schématiquement en figure 4 comprend deux transducteurs plans émetteur 54 et récepteur 56

agencés coaxialement et de part et d'autre de la partie rayonnée ou coudée 42 à contrôler, l'alignement des transducteurs étant similaire à ce qui a été décrit en référence à la figure 3. Une première pièce intermédiaire 58 est intercalée entre le transducteur émetteur 54 et la surface convexe 44 de la partie 42. Cette première pièce intermédiaire 58 comprend deux surfaces opposées, dont une première 60 est plane et est agencée en regard de la face émettrice du transducteur émetteur 54 et dont la seconde 62 a une forme incurvée concave complémentaire de celle de la surface incurvée convexe 44 de la partie 42 avec laquelle elle est en contact. La surface 62 de la première pièce intermédiaire 58 est concave à la fois selon la direction Y et également selon la direction X. La concavité en direction X permet que la surface complémentaire 62 de la pièce intermédiaire 58 soit parfaitement au contact avec la surface 44 incurvée convexe en direction circonférentielle.

Une seconde pièce intermédiaire 64 est intercalée entre le transducteur récepteur 56 et la surface concave 46 de la partie 42. Cette seconde pièce intermédiaire 64 comprend également deux surfaces opposées dont la première 66 est plane et est agencée en regard de la face réceptrice du transducteur récepteur 56 et dont la seconde 68 a une forme incurvée convexe complémentaire de celle de la surface incurvée concave 46 de la partie coudée 42 avec laquelle elle est en contact. La surface 68 de la seconde pièce intermédiaire 64 est convexe à la fois selon la direction Y et également selon la direction X. La convexité en direction X permet que la surface complémentaire 68 de la seconde pièce intermédiaire 64 soit parfaitement au contact avec la surface convexe 46 en direction circonférentielle. Les surfaces planes 60 et 66 des pièces intermédiaires sont de plus parallèles entre elles. Les transducteurs 54, 56, la partie coudée 42 de la bride et les première 58 et seconde 64 pièces intermédiaires sont immergées dans un liquide tel que de l'eau contenu dans une cuve 70. L'eau sert de milieu de couplage assurant la propagation des ultrasons. Les transducteurs

émetteur 54 et récepteur 56 sont également immergés et ils sont reliés et pilotés par un bras robot 72 articulé de manière à les déplacer simultanément, en maintenant l'axe du faisceau d'ultrasons exactement perpendiculaire aux surfaces planes des pièces intermédiaires. Le bras robot permet de réaliser un balayage de la partie 42 par déplacement linéaire simultané des transducteurs émetteur 54 et récepteur 56 parallèlement aux surfaces planes des pièces intermédiaires. Les pièces intermédiaires 58, 64 sont chacune maintenues au contact des surfaces incurvées 44, 46 en vis-à-vis au moyen d'organes de serrage tel que par exemple des serre-joints.. Le dispositif selon l'invention permet un contrôle ultrasonore simple et rapide de la partie coudée 42 d'une bride d'un carter sans perte de signal aux interfaces avec les surfaces 44, 46 du fait de la présence de pièces intermédiaires 44, 64 ayant des surfaces planes 60, 66 perpendiculaires aux axes des transducteurs émetteur et récepteur et grâce au fait que les pièces intermédiaires ont une impédance acoustique identique à celle de la pièce à contrôler. Les pièces intermédiaires 58, 64 peuvent être réalisées dans le même matériau que le carter, par exemple en composite formé d'une matrice de torons de fibres de carbone imprégnée d'époxyde. En variante, les pièces intermédiaires 58, 64 peuvent être réalisées dans un matériau d'impédance acoustique très proche de l'impédance acoustique du composite, par exemple en une résine qui a une impédance acoustique de 3,339.106 Pa.s/m, l'impédance acoustique du composite étant de 4,357.106 Pa.s/m. Dans la réalisation représentée aux dessins, les pièces intermédiaires 58, 64 ont la même étendue que les surfaces convexe 44 et concave 46 de la partie 42, ce qui permet de réaliser un contrôle par ultrasons de la totalité de la partie 42.

Le dispositif selon l'invention permet également le contrôle ultrasonore de pièces ayant des surfaces courbes plus complexes telles

que des surfaces présentant des creux et des bosses. Dans le cas où la partie incurvée à contrôler ne comprend qu'une seule surface concave ou convexe et une surface opposée plane, une seule pièce intermédiaire est nécessaire.

Un moyen de couplage tel que du gel peut être utilisé à l'interface entre chacune des pièces intermédiaires 58, 64 et la partie coudée 42 de manière à garantir un bon couplage des surfaces en contact et éviter l'emprisonnement de bulles d'air pouvant nuire à la transmission des ondes ultrasonores.

Les transducteurs utilisés pour la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, ont de préférence une fréquence centrale de 1 MHz qui est particulièrement bien adaptée à l'exploration ultrasonore de pièces en composite. Ces transducteurs ont un diamètre compris entre 5 et 15 millimètres et de préférence de l'ordre de 10 millimètres.

En pratique, chacune des surfaces incurvées 44, 46, 62, 68 de la partie 42 et des pièces intermédiaires 58, 64 qui sont en contact présente une certaine rugosité. Cette rugosité définie par des valeurs de Ra et Rt n'a aucune influence sur la transmission des ondes ultrasonores aux interfaces entre la partie coudée 42 et les pièces intermédiaires 58, 64 puisque la longueur d'onde des ondes ultrasonores se propageant à l'intérieur des pièces intermédiaires et de la partie coudée est bien supérieure aux micro-aspérités créées à la jonction des interfaces précitées. En effet, la longueur d'onde est de l'ordre de 2,4 mm, ce qui est bien supérieur aux valeurs de rugosité d'une bride en composite (Ra=1,4 pm, Rt=11, 9 pm) et aux valeurs de rugosité d'une pièce en résine (Ra=0,8 pm, Rt=11,5 pm). Pour plus de précisions sur le comportement des ondes ultrasonores à l'interface entre deux pièces rugueuses, on pourra se reporter aux articles scientifiques de K. Paumel et al. « Etude de la transmission des ultrasons à une interface solide - sodium liquide en présence d'un gaz », 2008, Cofrend - Ultrasons et de H.G. Tattersall, "The ultrasonic pulse-echo technique as applied to adhesion testing », J. appl. Phys. D6, 819-832.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif (52) de contrôle par ultrasons d'une pièce présentant au moins une surface courbe (44), comprenant au moins un transducteur émetteur (54) plan destiné à émettre un faisceau ultrasonore perpendiculaire à la surface de la pièce à contrôler, caractérisé en ce qu'il comprend également au moins une première pièce intermédiaire (58) intercalée entre le transducteur émetteur (58) et la pièce à contrôler, ladite pièce intermédiaire (58) ayant une impédance acoustique sensiblement identique à celle de la pièce à contrôler (42) et comprenant deux surfaces opposées traversées par le faisceau ultrasonore, dont l'une (60) en regard du transducteur émetteur (54) est plane et perpendiculaire à l'axe (53) du faisceau ultrasonore et dont l'autre (62) est incurvée et a une forme complémentaire de celle de la surface courbe (44) de la pièce à contrôler et est en contact avec celle-ci.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur récepteur (56) plan positionné coaxialement au transducteur émetteur (54) et à l'opposé du transducteur émetteur (54) par rapport à la pièce à contrôler pour recevoir les ondes ultrasonores transmises à travers la pièce intermédiaire (58) et la pièce à contrôler.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce à contrôler comprenant une seconde surface courbe (46) opposée à la première surface courbe (44) et traversée par le faisceau ultrasonore, il comprend une seconde pièce intermédiaire (64) intercalée entre le transducteur récepteur (56) et la pièce à contrôler (42), la seconde pièce intermédiaire (64) ayant une impédance acoustique sensiblement identique à celle de la pièce à contrôler (42) et comprenant deux surfaces traversées par le faisceau ultrasonore dont l'une (66) en regard du transducteur récepteur (54) est plane et perpendiculaire à l'axe du faisceau et dont l'autre (68) a une forme incurvée complémentaire de celle de la seconde surface courbe (46) de la pièce à contrôler (42) et est en contact avec celle-ci.
4. . Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les deux transducteurs (54, 56) ont une fréquence centrale de 1 MHz.
5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les transducteurs (54, 56) ont un diamètre compris entre 5 et 15 millimètres, de préférence de l'ordre de 10 millimètres.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce à contrôler (42) est en matériau composite, par exemple à 10 matrice de fibres de carbone imprégnée d'époxyde.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces intermédiaires (58, 64) sont réalisées dans le même matériau que la pièce à contrôler (42).
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 15 que la ou les pièces intermédiaires (58, 64) ont la même étendue que la ou les surfaces courbes (44, 46) de la pièce à contrôler (42).
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les transducteurs (54, 56) sont portés par un bras robot (72) piloté pour réaliser un balayage de la pièce à contrôler comprenant un 20 déplacement le long de la surface plane de la première pièce intermédiaire.
10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièces intermédiaires (58, 64) ainsi que la pièce à contrôler (42) sont immergées dans une cuve remplie d'un liquide, tel que de l'eau, propre à réaliser un couplage pour la propagation des ondes ultrasonores à 25 travers la ou les pièces intermédiaires (58, 64) et la pièce à contrôler (42) jusqu'au transducteur récepteur (54).