Inspection de blocs d'acier forgé de grand volume par ultrasons multi-éléments

Dupont-Marilla, Frédéric (2018). Inspection de blocs d'acier forgé de grand volume par ultrasons multi-éléments. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce projet de doctorat avait pour objectif d’effectuer l’inspection de blocs d’acier forgé de grand volume à l’aide d’une sonde multiélément. La première partie de ce travail portait sur l’étude du matériau. D’un point de vue métallurgique, il a été observé que le bloc étudié était à 99% bainitique et que la taille des grains variait de 70 μm à 700 μm entre la surface et le coeur. Du point de vue ultrasonique, il a été démontré que le bloc pouvait être considéré comme localement isotrope et homogène. Des mesures de vitesses de groupe couplées aux densités calculées à partir de formules empiriques ont permis de déterminer les paramètres mécaniques ayant le plus impact sur les vitesses de propagation des ultrasons. Il a ainsi été démontré que le module de Young et la densité étaient les paramètres prépondérants pour les vitesses de groupes alors que les vitesses de phase étaient lié à la taille des grains. Les mesures ont ensuite été utilisées pour mettre en place un modèle à l’aide de CIVA et calculer les paramètres d’une sonde multiéléments optimisée pour l’inspection de bloc d’aciers de grandes dimensions. Il a ainsi été démontré que les sondes actuellement disponibles dans le commerce n’étaient pas adaptées à la problématique des grands volumes. Basé sur ces simulations un premier prototype de sonde de 8 éléments de 9.5 × 22.5 mm a été réalisé et utilisé pour effectuer l’imagerie de défauts circulaires dans un bloc de 776 mm. Il a été observé que le paramètre limitant était la résolution latérale et que les mesures étaient en très bon accord avec les simulations. Finalement, une sonde de 32 éléments a été réalisée et testée dans un bloc de 776 mm sur des défauts circulaires et des encoches. Différentes sequences d’émissions ont été testées dans le but d’améliorer les performances. Les ondes planes qui permettent d’activer plusieurs éléments simultanément ont été comparées aux séquences de type Full-Matrix-Capture (FMC). Une amélioration du Ratio Signal sur Bruit (RSB) a été observée pour les ondes planes mais les performances de résolutions ont été diminuées. Ce résultat confirme que l’énergie transmise dans le matériau est supérieure pour les ondes planes comparées aux séquences FMC. Finalement une séquence basée sur la matrice Hadamard a été proposée. Ce schéma d’activation des éléments permet de combiner les ondes planes maximisant l’énergie transmise dans le matériau, avec les séquences FMC ayant une résolution élevée. Finalement les images générées à l’aide de la method Hadamard ont démontré un bon compromis en permettant un gain de 10 dB du SNR et une faible de perte de résolution.

Résumé traduit

The objective of this Ph.D. project was to inspect large size forged steel blocks using a phased array transducer. The first part of this work focused on the material. From a metallurgical point of view, it was observed that the studied block was 99% bainitic and that the grain size was varying from 70 μm to 700 μm between the surface and the core. From the ultrasonic point of view, it was shown that the block could be considered as locally isotropic and homogeneous. Group velocity measurements coupled with densities calculated from empirical formulas were used to determine the impact of mechanical parameters on ultrasonic propagation velocities. It was shown that Young's modulus and density were the most important parameters for group velocity, whereas phase velocity was linked to the grain size. The measurements were then used in a CIVA software model to compute the best parameters of a phased array probe optimized for the inspection of large size forged steel blocks. It was demonstrated that commercial probe available were not adapted to the large size problem. Based on these simulations, a first prototype probe with 8-element of 9.5 × 22.5 mm was designed and used to perform imaging of circular defects in a 776 mm block. It was observed that the limiting parameter was the lateral resolution and that the measurements were in very good agreement with the simulations. Finally, a 32-element probe was realized and used on circular defects and notches in a 776 mm block. Different emission sequences were then tested in order to improve imaging performance. The plane wave sequence which activates simultaneously multiple elements was compared to full-matrix capture (FMC) sequences. It was observed that signal-to-noise ratio (SNR) increased for the plane waves but resolutions were worse. This result confirms that the energy transmitted in the material is greater for the plane waves compared to the FMC sequences. Finally, a new sequence based on the Hadamard matrix was proposed. This element activation scheme combines plane waves which maximize the energy transmitted into the material, with the FMC sequences which have a high resolution. Finally, the images generated using the Hadamard method showed a good compromise a SNR gain of 10 dB and a low-resolution loss.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 115-132).
Mots-clés libres:	ultrason, multi-éléments, imagerie de grandes dimensions, Full Matrix Capture, ondes planes
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Codirecteur:	Codirecteur Jahazi, Mohammad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 nov. 2018 15:13
Dernière modification:	22 nov. 2018 15:13
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2158

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