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FR2992426A1 - Procede de determination de la contrainte a la rupture par cisaillement d'une piece d'epaisseur determinee - Google Patents

Procede de determination de la contrainte a la rupture par cisaillement d'une piece d'epaisseur determinee Download PDF

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Abstract

Procédé de détermination de la contrainte à la rupture par cisaillement d'une pièce d'épaisseur déterminée e formée de deux éléments solidarisés entre eux par un joint de colle, comportant les étapes suivantes : . émission par un capteur plan d'une onde ultrasonore de fréquence nominale déterminée en direction de la pièce d'épaisseur déterminée, . réception par le capteur plan d'un signal réfléchi comportant plusieurs échos successifs provoqués par la réflexion de cette onde ultrasonore à différentes interfaces de la pièce d'épaisseur déterminée, . calcul par une unité de traitement reliée au capteur plan d'une transformée de Fourier rapide du signal réfléchi ainsi obtenu, . détermination d'une enveloppe Gaussienne reliant les sommets de toutes les résonances de la transformée de Fourier rapide, . détermination d'un maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne, et . détermination de la contrainte à la rupture à partir d'une loi de correspondance prédéterminée entre maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne et contrainte à la rupture préalablement enregistrée dans l'unité de traitement.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne une méthode non destructive permettant de mesurer la contrainte à la rupture par cisaillement d'un assemblage collé sur un support métallique. Classiquement, la mesure d'une telle contrainte est effectuée par des essais de traction par cisaillement réalisés par une machine de traction équipée d'une cellule de mesure appropriée au matériau de l'éprouvette à tester. Les mesures d'épaisseurs des joints de colle et de la longueur de recouvrement sont réalisées avec une machine de mesure optique sans contact. Les dimensions de l'éprouvette sont mesurées au pied à coulisse. L'épaisseur du joint de colle pouvant varier suivant la position de l'éprouvette sur son support, plusieurs mesures sont en générale réalisées sur chaque face, puis moyennées. La précision des mesures obtenues est de l'ordre de 1pm. Cette façon d'opérer présente toutefois de sérieux inconvénients. Tout d'abord, la solution consistant à réaliser un essai de traction sur éprouvette est destructive, puisque l'éprouvette est soumise à une contrainte provoquant sa rupture. Ensuite, les mesures obtenues résultent d'une éprouvette et non de la pièce réelle à contrôler. La contrainte de rupture est en effet déterminée sur une éprouvette obéissant à une norme, donc avec des dimensions qui ne sont pas en rapport avec la pièce réelle (supports et joints de colle propres à cette pièce). De plus, la nature du matériau est fluctuante selon les éprouvettes, de même que la mise en oeuvre du collage et l'épaisseur du joint de colle final.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but de pallier de tels inconvénients en proposant une méthode de mesure non destructive pouvant être mise en oeuvre directement sur la pièce réelle. A cet effet, il est prévu un procédé de détermination de la contrainte à la rupture par cisaillement d'une pièce d'épaisseur déterminée e formée de deux éléments solidarisés entre eux par un joint de colle, comportant les étapes suivantes : . émission par un capteur plan d'une onde ultrasonore de fréquence nominale déterminée en direction de ladite pièce d'épaisseur déterminée, . réception par ledit capteur plan d'un signal réfléchi comportant plusieurs échos successifs provoqués par la réflexion de cette onde ultrasonore à différentes interfaces de ladite pièce d'épaisseur déterminée, . calcul par une unité de traitement reliée au dit capteur plan d'une transformée de Fourier rapide du signal réfléchi ainsi obtenu, . détermination d'une enveloppe Gaussienne reliant les sommets de toutes les résonances de ladite transformée de Fourier rapide, . détermination d'un maximum fréquentiel de ladite enveloppe Gaussienne, et . détermination de ladite contrainte à la rupture à partir d'une loi de 15 correspondance prédéterminée entre maximum fréquentiel de ladite enveloppe Gaussienne et contrainte à la rupture préalablement enregistrée dans ladite unité de traitement. Ainsi, la contrainte à la rupture étant reliée aux résonances (qui sont liées à la qualité de la liaison adhésive et cohésive par colle des deux 20 substrats formant la pièce à contrôler) aux fréquences ultrasonores de la pièce, le calcul d'une TFR du signal réfléchi suffit à déterminer cette contrainte sans recourir à un essai de traction sur la pièce à contrôler. De préférence, l'épaisseur de ladite pièce est obtenue préalablement à l'émission de ladite onde ultrasonore au moyen d'un 25 micromètre. Avantageusement, le calcul de ladite transformée de Fourier rapide est effectué sur une bande spectrale entourant une réponse fréquentielle dudit capteur plan et est limité au plus aux sept premiers échos dudit signal réfléchi à l'exclusion du premier écho relatif à la 30 réflexion de l'onde ultrasonore sur la face externe de ladite pièce. De préférence, ledit maximum fréquentiel correspond à la dérivée d'une fonction polynomiale passant par les maximums d'amplitude desdits sommets de résonance et obtenue au moyen d'un tableur. Avantageusement, ladite loi de correspondance résultant 35 d'essais de traction effectués sur différentes éprouvettes dont le maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne est déterminé, est enregistrée dans ladite unité de traitement sous la forme d'une courbe d'étalonnage ou d'un tableau de valeurs. Le procédé de l'invention trouve notamment application à la détermination de la contrainte à la rupture par cisaillement d'un bord d'attaque en aluminium TA6V d'une aube de turbomachine en matériau composite à armature « interlock » au moyen d'un capteur plan de fréquence nominale comprise entre 10 et 25 MHz. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de mesure pour mettre en oeuvre le procédé de détermination de la contrainte à la rupture en cisaillement selon l'invention ; - la figure 2 illustre les différentes étapes du procédé de détermination de la contrainte à la rupture en cisaillement selon l'invention ; - la figure 3 est un exemple de signal réfléchi sur une pièce à contrôler par le procédé de détermination de la contrainte à la rupture en cisaillement selon l'invention ; - la figure 4 illustre une transformée de Fourier rapide et son enveloppe Gaussienne obtenues à partir du signal réfléchi de la figure 3 ; et - la figure 5 montre une courbe d'étalonnage permettant la détermination de la contrainte à la rupture en cisaillement à partir du maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne de la figure 4. Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé non destructif de détermination de la contrainte à la rupture par cisaillement en traction d'un bord d'attaque en aluminium TA6V d'une aube de turbomachine en matériau composite à armature « interlock ». Bien entendu, ce procédé est applicable à tout type de pièce formée par un assemblage collé.
La pièce réelle à contrôler 10 d'épaisseur déterminée, maintenue dans un support non représenté et formée de deux éléments 12, 14 solidarisés entre eux par un joint de colle 16 est disposée face à un capteur ultrasonore 18 relié à une unité de traitement 20. Ce capteur est avantageusement un capteur plan de type V313-15/0,25" n°122223 de la société Panametrics permettant l'émission d'une onde ultrasonore longitudinale 22 de fréquence nominale 15MHz (typiquement cette fréquence peut être comprise entre 10 et 25 MHz) à partir d'un signal pulsé de 150V à la fréquence de 1,67MHz délivré par un générateur de tension de cette unité de traitement. L'unité de traitement 20 assure également la réception de l'onde ultrasonore réfléchie 24 par la pièce 10 et son traitement afin de délivrer une valeur de contrainte à la rupture par cisaillement pour cette pièce selon le procédé de mesure dont les différentes étapes sont illustrées à la figure 2. La première 100 de ces étapes consiste en la mesure de l'épaisseur totale e de la pièce 10 effectuée de préférence au micromètre ou au pied à coulisse (dans l'exemple illustré cette épaisseur est de e = 20,184 mm). Dans une seconde étape 102, il est procédé à l'émission par le capteur plan 18 d'une onde ultrasonore longitudinale à une fréquence nominale prédéterminée dépendant du matériau de la pièce 10 et en l'espèce de 15MHz pour un substrat en aluminium dont la vitesse de propagation connue est de 6349,11 m/s. Cette onde incidente émise vers la pièce 10 donne lieu à un signal réfléchi qui est reçu par le capteur plan 18 dans une étape 104. La figure 3 montre le signal ainsi reçu qui se présente sous la forme de plusieurs échos successifs provoqués par la réflexion de l'onde ultrasonore à différentes interfaces de la pièce. Le premier écho 30 dit d'interface correspond à la réflexion de l'onde incidente sur la face d'entrée 12A de la pièce 10. Le second écho 32 correspond à la fraction de l'onde transmise arrivant au niveau de l'interface 16A avec le joint de colle 16. Les réflexions successives dans la colle sont invisibles pour cette longueur d'onde dépassant 600 gin. Le troisième écho 34 et les échos suivant 36-44 sont de formes plus complexes et résultent de la superposition de réflexions multiples dépendant notamment de l'épaisseur respective des matériaux traversés.
Dans une étape suivante 106, il est alors procédé au calcul par l'unité de traitement 20 à une transformée de Fourier rapide (TFR) du signal réfléchi ainsi obtenu. Elle est visualisée à la figure 4 sur une bande spectrale comprise entre 12,5 MHz et 17,5 MHz entourant la réponse fréquentielle d'un capteur plan de fréquence nominale 15MHz (réponse maximale en amplitude). On peut y noter un ensemble de résonances et une enveloppe secondaire mettant en évidence des Gaussiennes secondaires correspondant aux résonances dans le joint de colle 16. Ainsi, le joint de colle invisible dans le signal réfléchi sous la forme d'échos ressort clairement après le calcul de la transformée de Fourier rapide de ce signal. En revenant à la figure 3, on notera la représentation schématique de la fonction « porte » 50 qui limite la partie du signal analysée par cette transformée de Fourier rapide aux seuls sept premiers échos réfléchis dans le matériau 32-44, à l'exclusion du premier écho d'interface 30 associé au parcours de l'onde à l'extérieur du matériau. Dans une nouvelle étape 108, à partir de la transformée de Fourier rapide, il est alors procédé à la détermination d'un maximum fréquentiel de la courbe de Gauss (enveloppe Gaussienne 52) passant par les sommets ou pics de résonance de cette transformée. En pratique, Il est possible de relever les maximums d'amplitude et, avec un tableur par exemple de type Excel, de trouver la fonction polynomiale passant par ces maximums. La dérivée de la fonction trouvée donnera de façon précise la valeur 54 de la fréquence recherchée. Enfin, dans une étape terminale 110, la contrainte à la rupture par cisaillement recherchée est obtenue à partir d'une loi de correspondance préenregistrée dans l'unité de traitement 20, par exemple sous la forme d'une courbe d'étalonnage 56 ou d'un tableau de valeurs, et donnant la valeur de cette contrainte en fonction du maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne déterminé à l'étape précédente. Ainsi, dans l'exemple illustré, à une fréquence de 14,058 MHz correspond une contrainte à la rupture de 55,5MPa. Ce tableau de valeurs ou la courbe d'étalonnage à partir de laquelle il aura été élaboré, aura préalablement été obtenu classiquement par un essai de traction sur différentes éprouvettes d'épaisseur connue et dont le maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne passant par les pics de résonance aura été mesuré avec la méthode précitée.
Ainsi, avec l'invention, il devient possible de donner la valeur de la contrainte à la rupture d'un assemblage collé de façon rapide et non- destructive et ce résultat est obtenu directement sur la pièce à contrôler et non sur une éprouvette seulement représentative, quelle que soit l'épaisseur du joint de colle, ce qui donne toute sa valeur à la méthode de contrôle de l'invention.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de la contrainte à la rupture par cisaillement d'une pièce (10) d'épaisseur déterminée e formée de deux éléments (12, 14) solidarisés entre eux par un joint de colle (16), comportant les étapes suivantes : . émission par un capteur plan (18) d'une onde ultrasonore de fréquence nominale déterminée en direction de ladite pièce d'épaisseur déterminée, . réception par ledit capteur plan d'un signal réfléchi comportant plusieurs échos successifs provoqués par la réflexion de cette onde ultrasonore à différentes interfaces (12A, 14A, 16A) de ladite pièce d'épaisseur déterminée, . calcul par une unité de traitement (20) reliée au dit capteur plan d'une transformée de Fourier rapide du signal réfléchi ainsi obtenu, . détermination d'une enveloppe Gaussienne (52) reliant les sommets de toutes les résonances de ladite transformée de Fourier rapide, . détermination d'un maximum fréquentiel (54) de ladite enveloppe Gaussienne, et . détermination de ladite contrainte à la rupture à partir d'une loi de 20 correspondance prédéterminée (56) entre maximum fréquentiel de ladite enveloppe Gaussienne et contrainte à la rupture préalablement enregistrée dans ladite unité de traitement.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite épaisseur 25 déterminée de ladite pièce est obtenue préalablement à l'émission de ladite onde ultrasonore au moyen d'un micromètre.
  3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le calcul de ladite transformée de Fourier rapide est effectué sur une 30 bande spectrale entourant une réponse fréquentielle dudit capteur plan.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le calcul de ladite transformée de Fourier rapide est limité au plus aux sept premiers échos (32-44) dudit signal réfléchi à l'exclusion du 35 premier écho (30) relatif à la réflexion de l'onde ultrasonore sur la face externe (12A) de ladite pièce.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit maximum fréquentiel correspond à la dérivée d'une fonction polynomiale passant par les maximums d'amplitude desdits sommets de résonance et obtenue au moyen d'un tableur.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite loi de correspondance est enregistrée dans ladite unité de traitement sous la forme d'une courbe d'étalonnage ou d'un tableau de 10 valeurs.
  7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite loi de correspondance résulte d'essais de traction effectués sur différentes éprouvettes dont le maximum fréquentiel de l'enveloppe Gaussienne est 15 déterminé.
  8. 8. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 à la détermination de la contrainte à la rupture par cisaillement d'un bord d'attaque en aluminium TA6V d'une aube de turbomachine en matériau 20 composite à armature « interlock » au moyen d'un capteur plan de fréquence nominale comprise entre 10 et 25 MHz.
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