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Mesure par courants de Foucault sur grande pièce industrielle.

La méthode de contrôle par courants de Foucault est largement utilisée dans la sidérurgie, l’aéronautique, l’automobile ou encore dans le nucléaire. C’est l’une des nombreuses méthodes d’essais électromagnétiques utilisées en contrôles non destructifs (CND) faisant usage de l’induction électromagnétique pour détecter et caractériser les défauts de surface et de sous surface dans les matériaux conducteurs et dans les métaux plus spécifiquement.

Un peu d’histoire des sciences

Le phénomène des courants tourbillonnants, ou courants induits, a été découvert par le physicien et astronome français Léon Foucault en 1851. Ces courants sont communément appelés courants de Foucault. Léon Foucault est connu principalement pour son expérience démontrant la rotation de la terre autour de son axe (expérience dite du pendule de Foucault). Il détermina aussi la vitesse de la lumière et inventa le gyroscope.

La méthode découverte par le physicien a été d’utiliser un disque de cuivre se déplaçant dans un fort champ magnétique pour montrer que les courants de Foucault (des champs magnétiques) sont produits quand un matériel conducteur se déplace dans un champ magnétique appliqué.

Principe du contrôle par courants de Foucault

Le contrôle par courants de Foucault est l’une des nombreuses méthodes de contrôle dite non destructive comme la radiographie, le ressuage, …. Le contrôle non destructif (CND) est un ensemble de méthodes qui permettent de caractériser l’état d’intégrité de structures ou de matériaux, sans les dégrader, soit au cours de la fabrication, soit en cours de fonctionnement ou bien encore dans le cadre d’opérations de maintenance. Le contrôle non destructif par courants de Foucault (symbole ET – Eddy Current Testing en anglais) consiste à créer, dans des matériaux conducteurs électriques, des courants induits au moyen d’un capteur. Ces courants induits circulent localement dans le matériau et ont une distribution et une répartition qui dépendent du champ électro-magnétique d’excitation, de la géométrie et des caractéristiques de conductivité électrique et de la perméabilité magnétique de la pièce examinée.

Pour ce faire, un excitateur externe est employé, souvent constitué d’une bobine parcourue par un courant alternatif. De plus, ces courants induits, parce qu’ils forment des boucles et sont à la même fréquence que le courant d’excitation, engendrent un champ magnétique alternatif de réaction sortant de la pièce à inspecter. Les défauts superficiels deviennent alors les lignes des courants de Foucault, et par la suite modifient le champ magnétique résultant. La variation du champ magnétique est enfin mesurée au moyen d’un élément sensible au champ magnétique alternatif, qui peut être une bobine ou un capteur de champ magnétique.

Avantages et limites de la méthode de mesure

Comme pour toute technique de contrôle CND, la méthode des courants de Foucault possède des avantages et des limitations. Au niveau des avantages, cette méthode peut détecter les défauts de surface et ceux près de la surface. La sonde d’essai n’a pas besoin d’entrer en contact direct avec la pièce testée. De plus, la méthode peut être utilisée pour plus d’applications que la seule détection de défauts et enfin une préparation minimale des pièces est nécessaire. Il existe cependant des limitations.

Tout d’abord, la méthode est restreinte aux matériaux conducteurs. De plus, l’inspection des matériaux ferromagnétiques peut être influencée par la perméabilité magnétique. Ensuite, la profondeur d’inspection (pénétration) est limitée. Les compétences et la formation requises sont plus importantes que pour les autres techniques de CND. Notons aussi que la finition et la rugosité de la surface peuvent interférer. Les courants de Foucault sont applicables sur les défauts débouchants. Et enfin, des normes de références sont nécessaires pour la configuration.

Le contrôle de tube par courants de Foucault multifréquences

Avec le contrôle par courants de Foucault mono fréquence, on peut juste dire si on est en présence d’un défaut on non. Par contre, en mode multifréquence, on aura accès à de nombreuses informations sur la position du défaut, son volume ou sa nature précise. Cette méthode consiste à étudier les variations d’impédance des bobinages d’une sonde placée à proximité d’une pièce conductrice amagnétique. Cette sonde est du type différentiel à symétrie axiale et possède deux bobinages voisins placés dans deux branches adjacentes d’un pont de mesure et alimentés en série par un générateur de tensions alternatives. Ce générateur injecte en permanence dans le pont une tension complexe composée de plusieurs tensions de fréquences différentes.

Le passage d’un défaut dans le champ magnétique créé par chacun des bobinages, déséquilibre le pont successivement dans deux sens opposés. La tension de déséquilibre obtenue est amplifiée et, après démodulation, visualisée sur un écran. Le signal du défaut peut être analysé sous forme de courbe, dans le plan d’impédance, constituée de lobes opposés correspondant chacun au passage successif du défaut au droit de chaque bobinage. Ce signal est caractérisé par son amplitude et sa phase, éventuellement par sa forme. Ces paramètres sont fonction des fréquences utilisées, de la localisation du défaut dans l’épaisseur du tube, de sa géométrie et de son environnement. Il est possible d’estimer la profondeur d’un défaut en mesurant la phase et/ou l’amplitude du signal, puis en se reportant à des courbes déterminées expérimentalement pour une fréquence et un matériau donnés. On utilise pour cela des tubes étalons de même nuance et de même dimension avec des défauts artificiels électro-érodés. L’utilisation de plusieurs fréquences permet, par combinaisons des signaux aux différentes fréquences, d’éliminer les signaux créés par le passage de la sonde au droit des plaques intermédiaires.

Type de matériel utilisé

De nombreux fournisseurs de matériels et capteurs de courants de Foucault (Sofranel, EddyFi, Olympus, Zetec, Corestar, ExcelDef,  …) proposent des solutions de contrôle. Si le matériel possède un principe assez similaire, le software ou la géométrie des capteurs sont en général plus spécifiques. Les sondes doivent en particulier être adaptées au diamètre du tube à contrôler et à la nuance. Certaines petites sondes peuvent être ainsi rotatives pour le contrôle des alésages. Toutes les sondes ont une durée de vie limitée.

Certification COFREND du personnel de contrôle

Le personnel qui réalise le contrôle par courants de Foucault sur pièces industriels doit posséder une certification COFREND dans le comité requis lié au secteur d’activité (aéronautique, CIFM, CCPM, …).

Anomalies détectées dans un tube

On peut ainsi détecter des fissures sur la zone externe d’un tube en acier inoxydable. Par rapport à un essai de ressuage, la méthode des courants de Foucault est plus rapide, est automatisable, n’utilise pas de consommables, est très reproductible et amène à une mesure quantitative (en %) liée au manque de matière. Sur la paroi interne d’un tube, on peut de même détecter par exemple des cratères de corrosion. Il suffit de déplacer la sonde à l’intérieur du tube. Le diamètre de la sonde doit être proche de celui du tube à contrôler. On peut cependant avoir des problèmes d’usure de la sonde ou de blocage de cette dernière dans le tube.

L’évolution des contrôles par courants de Foucault

Les principales utilisations des contrôles par courants de Foucault concernent les tubes, les soudures ou le tri de pièces. On peut cependant mesurer également le taux de ferrite ou l’épaisseur d’un revêtement. Le contrôle par courants de Foucault fait l’objet d’innovations et de développements constants. On peut citer l’utilisation de courants de Foucault multiéléments qui permettent de contrôler des tubes de gros diamètre en une seule fois (au lieu de déplacer la sonde sur la circonférence extérieure). Se développent également le contrôle de tubes en acier bas carbone à faible conductivité (tube d’aéro-réfrigérant munis d’ailettes extérieures en aluminium) à l’aide de sondes à courants de Foucault champs proches (Near Field testing) ou champs de fuite (Magnetic flux leakage). Enfin, on peut noter également l’utilisation de sondes souples qui permettent de contrôler de zones et surfaces courbes en s’adaptant à la géométrie à contrôler.