Dimensionnement de fissures non débouchantes dans des pièces métalliques par thermographie laser

La détection précoce des fissures demeure cruciale pour garantir la sécurité des composants métalliques. La thermographie laser, en particulier la méthode dite "Flying spot", représente une technique de Contrôle Non Destructif (CND) sans contact, basée sur le balayage d’un faisceau laser le long d’une surface, permettant la détection de fissures débouchantes. La détectabilité des fissures dépend alors des paramètres régissant le banc d’essai, tels que la vitesse de balayage du laser, sa puissance, et la fréquence d’enregistrement de la caméra infrarouge. L’objectif de cette étude était d’évaluer la capacité de la technique de thermographie laser à détecter des fissures non débouchantes, c’est-à-dire non visibles en surface, dans des pièces métalliques, et à estimer leurs profondeurs et inclinaisons. De plus, dans une perspective de réduction des durées de maintenance, l’étude visait à se limiter à un balayage laser simple, parallèle à la fissure, contrairement à l’approche conventionnelle qui préconise un balayage aller-retour traversant [1] [2]. Dans un premier temps, le travail a consisté en une étude numérique de sensibilité visant à optimiser les paramètres dimensionnants d’un essai "Flying spot", avec pour objectif d’augmenter les signatures thermiques des fissures. A cette fin, un modèle par éléments finis a été mis en œuvre à l’aide du logiciel multiphysique COMSOL. La stratégie proposée a débuté par la simulation d’une fissure débouchante [2] avec un balayage traversant. L’objectif était d’optimiser les paramètres du banc d’essai, tels que la vitesse de balayage et le rayon du laser, pour obtenir un nombre de Péclet proche de 1, conformément aux recommandations de Krapez [1]. Dans un second temps, le cas plus complexe des fissures non débouchantes a été abordé, l’optimisation de l’orientation du balayage laser par rapport à l’inclinaison de la fissure devenant alors impossible. L’échantillon ciblé est un acier inoxydable avec des fissures de dimensions millimétriques, d’ouverture allant de 1 mm à 200 μm, avec un angle d’inclinaison variable compris entre 0∘^{\circ} et 45∘^{\circ} par rapport à la normale de la surface de la pièce, et de profondeur oscillante entre 10 μm et 100 μm. Les paramètres Flying Spot qui font l’objet de l’étude de sensibilité sont les suivants : la puissance du laser, pouvant varier de 0,5 à 3 W, le rayon du spot laser, allant de 250 μm à 2 mm, la vitesse de balayage, comprise entre 0,5 et 10 mm/s, et l’orientation du faisceau laser, d’une incidence normale à une incidence parallèle [3]. La seconde étape du travail a consisté à mener une campagne d’essais sur le banc de l’ONERA, sur la base de paramètres dont le choix a été optimisé par simulation numérique. La campagne d’essais sur le banc et l’étude pour des fissures non débouchantes est en cours. [1] Krapez, J.-C. : Résolution spatiale de la caméra thermique à source volante. Int. J. Therm. Sci. 38, 769–779 (1999) Available at: http://dx.doi.org/10.21611/qirt.1998.048  [2] Salazar, A., Mendioroz, A. and Oleaga, A. (2020) ‘Flying spot thermography: Quantitative assessment of thermal diffusivity and crack width’, Journal of Applied Physics, 127(13), p. 131101.  [3] Helvig, K. et al. (2023) ‘Automated crack detection on metallic materials with flying-spot thermography using deep learning and progressive training’, Quantitative InfraRed Thermography Journal, Available at: https://doi.org/10.1080/17686733.2023.2266176.

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