WO2018020148A1 - Procede et dispositif de mesure de l'epaisseur d'un revetement metallique - Google Patents

Procede et dispositif de mesure de l'epaisseur d'un revetement metallique Download PDF

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WO2018020148A1
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signal
thickness
substrate
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Jacques RIVENEZ
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Centre Technique Des Industries Mecaniques
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    • G01N2291/044—Internal reflections (echoes), e.g. on walls or defects

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for measuring the thickness of a metal coating of a substrate.
  • One envisaged field of application is in particular, but not exclusively, that of the control of machining operations after deposition on mechanical parts.
  • a method for measuring the thickness of a metal coating of a substrate comprising the following steps: a substrate coated with a coating is provided metal, said metal coating having a coating surface; ultrasonic waves are emitted to said coating surface at a component normal to said coating surface and a reflected signal is recorded to calculate the thickness of said coating; and transforming said reflected signal into a frequency signal to determine a frequency difference representative of said thickness of said coating so as to calculate the thickness of said coating.
  • a feature of the invention lies in the implementation of an operation for transforming the reflected signal, whose representation is temporal, into a frequency signal.
  • the time signal is transformed, thanks to a Fourier Transform, or FFT, an acronym for Fast Fourier Transform, into a frequency signal.
  • FFT Fast Fourier Transform
  • it is highlighted on the spectrum of the signal then obtained, and in given frequency ranges, "hollows", or again minimums for which the derivative of the corresponding curve is canceled, whose spacing reveals a frequency representative of the thickness of the coating, as will be explained in more detail later in the description.
  • Such a method is relatively easy to implement by means of simple and robust devices and is relatively accurate.
  • the temporal signal into a frequency signal
  • the periodic elements of the signal are more easily evidenced, and the resolution of the echoes is then overcome for thin coatings.
  • the measurement method is adapted to the coating surfaces, whether raw or rectified.
  • the metal coating is advantageously not ferromagnetic, that is, it has the ability to magnetize under the effect of a magnetic field and lose this magnetization when the magnetic field disappears.
  • the substrate is preferably a metal substrate. It is also preferably non-ferromagnetic.
  • the substrate is advantageously rough to allow better adhesion of the metal coating.
  • the latter is preferably obtained by thermal spraying.
  • the coating is advantageously rectified on the surface.
  • a coating layer can not be confused with a laminate layer on a substrate. Indeed, the interface between a laminated layer and a substrate is regular in contrast to that between a metal coating and a substrate of the aforementioned type.
  • ultrasonic waves are emitted at a high frequency, for example 50 MHz.
  • a high frequency for example 50 MHz.
  • the translators emitting high frequencies are much simpler and less expensive than the translators emitting ultrasonic waves beyond the high frequencies in ranges of the order of the gigahertz, symbol GHz. Thanks to such frequencies, it is easy to measure coating thicknesses of the order of about ten micrometers, or even about one hundred micrometers, as will be explained hereinafter.
  • the uncoated substrate having a substrate surface is furthermore provided; ultrasonic waves are further emitted to said substrate surface and another reflected signal is recorded; said other reflected signal is transformed into another signal frequency; and, establishing the ratio of said frequency signal and said other frequency signal to be able to determine said frequency difference representative of said thickness of said coating.
  • the ratio of the spectra of the reflected signal and of the other reflected signal corresponding to the uncoated substrate, which corresponds to a transfer function makes it possible to obtain a periodic signal on which are clearly visible the differences in frequencies representative of the thickness of the coating.
  • the frequency values of said ratio of said frequency signal and said other frequency signal are smoothed by sub-sampling. In this way, a more regular signal is obtained.
  • the frequency values of said ratio of said frequency signal and said other frequency signal are averaged by sliding average. The determination of the differences of frequencies is then easier and is reproducible.
  • a plurality of substrates coated with the same metallic coating of different known thicknesses are advantageously provided, and ultrasonic waves are emitted on the surface of the coatings of each of the coated substrates and a plurality of signals are recorded which are transformed into a plurality of frequency signals so as to be able to determine a plurality of frequency differences corresponding to said known thicknesses.
  • a function connecting the thickness of a coating and the frequency difference is determined, based on said frequency differences and said known thicknesses, a function connecting the thickness of a coating and the frequency difference.
  • a calibration is performed to determine the frequency differences as a function of the thickness of the coating.
  • the thickness is an inverse function of the differences in frequencies and that it is also a function of the speed of the ultrasonic waves through the coating.
  • a device for measuring the thickness of a metal coating of a substrate said metal coating having a coating surface
  • said measuring device comprising: a translator for transmitting ultrasonic waves to said coating surface according to a component normal to said coating surface; a memory member for recording a reflected signal and a calculating member connected to said memory member to calculate the thickness of said coating from said stored reflected signal; and said calculating member further transforms said reflected signal into a frequency signal to be able to determine a frequency difference representative of said thickness of said coating so as to calculate the thickness of said coating.
  • the measuring device implements the method described above and therefore has all the advantages.
  • the translator emits longitudinal waves at high frequency, for example 50 MHz, and under normal incidence on the surface of the coating.
  • the translator is broadband and is equipped with a silica acoustic relay.
  • said translator further transmits ultrasonic waves on the surface of the uncoated substrate, while said memory member records another reflected signal; and said computing device converts said other reflected signal into another frequency signal and sets the ratio of said frequency signal and said other frequency signal to be able to determine said frequency difference representative of said thickness said coating.
  • the device thus implements a characteristic of the method described above and thus adopts all the attributes.
  • said calculating member also performs a polynomial regression on a sliding frequency interval of said ratio of said frequency signal and said other frequency signal in order to be able to determine said frequency difference.
  • FIG. 1 is a block diagram of the device for implementing the method according to the invention for measuring the thickness of a coating
  • Figure 2 is a schematic view of an element of the invention shown in Figure 1 in a preparatory phase
  • FIG. 3 is a graph of the module of a first signal reflected as a function of time, recorded by means of the device illustrated in FIG. 1, according to an exemplary embodiment
  • Figure 4 is a graph of the frequency spectrum module of the first reflected signal shown in Figure 3;
  • FIG. 5 is a graph of the module of a second signal reflected as a function of time, recorded thanks to the device illustrated in FIG. 2;
  • Figure 6 is a graph of the frequency spectrum module of the second reflected signal shown in Figure 5;
  • Figure 7 is a graph resulting from the spectral ratio shown in Figures 4 and 6;
  • FIG. 8 is a graph showing the values measured according to the invention as a function of the thickness of the coating.
  • FIG. 9 is a graph of the module of a third signal reflected as a function of time, recorded thanks to the device illustrated in FIG. 1, according to a second exemplary embodiment
  • Figure 10 is a graph of the frequency spectrum module of the third reflected signal shown in Figure 9;
  • - Figure 1 1 is a graph resulting from the ratio of the frequency spectrum shown in Figure 10 and the frequency spectrum of a fourth signal obtained through the device shown in Figure 2;
  • FIG. 12 is a graph resulting from a first treatment of the ratio of the spectra illustrated in FIG. 11;
  • FIG. 13 is a graph resulting from a second processing of the graph illustrated in FIG. 12.
  • Figure 1 illustrates a metal substrate 10 and a metal coating 12.
  • a metal substrate 10 is a titanium alloy metal substrate having 6% aluminum and 4% vanadium.
  • the metal coating it is tungsten carbide with a thickness of 200 ⁇ .
  • substrate and metal coating can be implemented.
  • Figure 1 also illustrates a high frequency translator 14 for emitting ultrasonic waves, here 50 MHz, longitudinally and broadband.
  • the translator 14 is equipped with a silica acoustic relay.
  • the translator 14 is adjusted relative to the surface of the metal coating 12 so as to emit the ultrasonic waves at a normal incidence.
  • the translator 14 is connected to an electronic card 16 which controls it and also collects the signals reflected by the metal coating 12 and the metal substrate 10.
  • the electronic card 16 includes a control component 18 and a component storage device 20 as well as a computing component 22 and a display terminal 24.
  • the translator 14 is intended to emit ultrasonic waves on the surface of the coating 12 at a normal incidence, under the control of the control component 18, and to receive an echo signal in return, which signal is then recorded in the component 20 to be able to be processed in the calculation component 22.
  • Figure 2 illustrates the same high frequency translator 14 directly applies to the metal substrate 10 without coating.
  • the electronic card 16 is not shown here for the sake of clarity. We will explain after the interest of directly implementing the high frequency translator 14 on the substrate 1 0.
  • the substrate is made of titanium alloy and the coating 1 2 is made of tungsten carbide with a thickness of 200 ⁇ .
  • the latter has been rectified to make its surface more uniform.
  • an ultrasound wave of 50 MHz is emitted and a temporal signal is recorded in the storage component 20 as shown in FIG. 3.
  • This gives the modulus of the response in ordinate as a function of time in microseconds according to the abscissae. To be exploited, this signal is transformed into a frequency signal by the implementation of a Fourier transform through the calculation component 22. The graph shown in FIG. 4 is then obtained.
  • the graph of FIG. 4 shows a curve 24 of the modulus of the frequency spectrum of the signal represented in FIG. 3.
  • the propagation velocity V being in this case of 4500 m / s, one finds well the values of frequency deviation AF and thickness e.
  • an ultrasound wave of 50 MHz is emitted and a temporal signal is recorded in the storage component 20 which is shown in FIG. 5.
  • the signal is transformed into a frequency signal thanks to the implementation of a Fourier transform through the computation component 22 and the graph shown in FIG. 6 is then obtained.
  • the ratios of the modules of the spectrum illustrated in FIG. 4 and those obtained on the last graph of FIG. 6 are then calculated.
  • the periodic curve 30 shown in FIG. 7 is then obtained.
  • the representative curve of the frequency deviations as a function of the thickness is a hyperbola.
  • the parameters of a hyperbolic curve representative of the thickness of a given coating on a given substrate are then determined. relative to the frequency differences obtained according to the invention.
  • Figure 8 illustrates a graph showing such a curve 38.
  • a titanium alloy substrate identical to that of the first example is provided, and a tungsten carbide coating having a thickness of 200 ⁇ is deposited without rectification.
  • the first example of implementation is then carried out identically, and thanks to the translator 14, an ultrasound wave of 50 MHz is emitted and a temporal signal represented in FIG. 9 is recorded in the storage component 20. Then, this signal is transformed into a frequency signal by the implementation of a Fourier transform through the computation component 22.
  • the graph shown in FIG. 4 is then obtained showing a curve 40. However, contrary to the curve 24 illustrated on FIG. 4, this curve 40 does not present remarkable singular points.
  • a measurement of a signal reflected without coating is carried out and the ratio of the two spectrums with coating and without coating is then carried out.
  • a signal processing is carried out by the Savitzky-Golay algorithm.
  • a polynomial regression is performed on a sliding frequency range of the curve 42, that is the ratio of the coated and uncoated frequency signals.
  • the periodic curve 48 shown in the graph of Figure 12. It then reveals the extremums 50, 52, 54 spaced from each other by a frequency value substantially equal to 9 MHz.
  • the propagation velocity V through the coating is substantially 3600 m. s "1 , and therefore the thickness e of the coating is itself substantially 200 ⁇ .

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat, ledit procédé étant du type comprenant les étapes suivantes : on fournit un substrat (10) revêtu d'un revêtement métallique (12), ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement; et, on émet des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement selon une composante normale à ladite surface de revêtement et on enregistre un signal réfléchi pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement. On transforme ledit signal réfléchi en signal fréquentiel pour pouvoir déterminer une différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement (12) de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.

Description

Procédé et dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique
La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat.
Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui du contrôle des opérations d'usinage après dépôt sur des pièces mécaniques.
Il est connu, dans différents secteurs industriels, de recouvrir les matériaux métalliques d'un revêtement dur pour pouvoir augmenter, à tout le moins localement, leurs caractéristiques mécaniques. Aussi, on cherche à déterminer l'épaisseur de ce revêtement de manière fiable au moyen de méthodes non destructives.
Pour ce faire, différentes techniques existent et sont sélectionnées en fonction des épaisseurs à contrôler, des types de revêtement ou encore des types de substrat à revêtir. Il en est ainsi des méthodes magnétiques qui permettent de mesurer l'épaisseur des revêtements métalliques. Toutefois, ces méthodes magnétiques sont également sensibles aux propriétés électriques et magnétiques intrinsèques des matériaux du revêtement et du substrat. Aussi, la fiabilité de la mesure d'épaisseur est relative aux matériaux en présence.
Pour s'affranchir de cette interférence entre la méthode de contrôle et le matériau lui-même, il a été imaginé de mettre en œuvre des ondes ultrasonores et d'enregistrer leur temps de parcours dans le revêtement afin d'en déterminer l'épaisseur. Ainsi, en connaissant la vitesse de propagation des ondes ultrasonores à travers le revêtement et en enregistrant le décalage temporel entre l'onde incidente et l'onde réfléchie, on obtient une mesure de l'épaisseur du revêtement. Cette méthode est bien adaptée à la mesure d'épaisseur de pièces métalliques, car la discontinuité du milieu entre la pièce et l'air permet d'obtenir des signaux moins bruités. En revanche, la discontinuité entre un revêtement métallique et son substrat est moins franche et le signal réfléchi est plus complexe à analyser. De surcroît, les épaisseurs de revêtement sont généralement faibles, ce qui rend malaisée la résolution des échos car on obtient des intervalles de temps faibles entre les réflexions multiples. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir un procédé, et un dispositif, de mesure d'épaisseur de revêtement métallique d'un substrat qui soit à la fois fiable et empreint de précision.
Dans ce but, et selon un premier objet, il est proposé un procédé de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat, ledit procédé étant du type comprenant les étapes suivantes : on fournit un substrat revêtu d'un revêtement métallique, ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement ; on émet des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement selon une composante normale à ladite surface de revêtement et on enregistre un signal réfléchi pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement ; et on transforme ledit signal réfléchi en signal fréquentiel pour pouvoir déterminer une différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.
Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en œuvre d'une opération visant à transformer le signal réfléchi, dont la représentation est temporelle, en un signal fréquentiel. Par exemple, le signal temporel est transformé, grâce a une transformée de Fourier, ou FFT, acronyme de l'anglais « Fast Fourier Transform », en un signal fréquentiel. De la sorte, il est mis en évidence sur le spectre du signal alors obtenu, et dans des intervalles de fréquences donnés, des « creux », ou encore des minimums pour lesquels la dérivée de la courbe correspondante s'annule, dont l'espacement révèle une fréquence représentative de l'épaisseur du revêtement, comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description. Une telle méthode est relativement aisée à mettre en œuvre au moyen de dispositifs simples et robustes et s'avère relativement précise. Par ailleurs, en transformant le signal temporel en un signal fréquentiel, on met plus aisément en évidence les éléments périodiques du signal, et on s'affranchit alors de la résolution des échos, pour des revêtements de faible épaisseur. On observera que le procédé de mesures est adapté aux surfaces de revêtement, qu'elles soient brutes ou rectifiées. En outre, on observera que l'on vient analyser des signaux réfléchis au niveau de l'entrée dans la pièce et de son voisinage immédiat, c'est-à-dire du revêtement. On s'affranchit alors des signaux de fond de pièce.
De plus, et de façon avantageuse, on part du signal réfléchi que l'on transforme aisément en un signal fréquentiel. Partant, les algorithmes de traitement ultérieur sont relativement simples comparés aux méthodes de l'art antérieur, où on analyse les données fréquence par fréquence en générant des trains d'ondes successifs.
Aussi, le revêtement métallique n'est, avantageusement, pas ferromagnétique, autrement dit, il a la capacité de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique et de perdre cette aimantation lorsque le champ magnétique disparaît. Au surplus, le substrat est, de préférence, un substrat métallique. Il est également, de préférence, non- ferromagnétique.
En outre, le substrat est avantageusement rugueux pour permettre une meilleure adhérence du revêtement métallique. Ce dernier est préférentiellement obtenu par projection thermique. En revanche, le revêtement est, lui, avantageusement rectifié en surface. Aussi, une couche de revêtement ne peut être confondue avec une couche laminée sur un substrat. Car en effet, l'interface entre une couche laminée et un substrat est régulière contrairement à celle entre un revêtement métallique et un substrat du type précité.
Préférentiellement, on émet des ondes ultrasonores à une haute fréquence, par exemple 50 MHz. Ainsi les traducteurs émettant des hautes fréquences, sont bien plus simples et moins coûteux que les traducteurs émettant des ondes ultrasonores au-delà des hautes fréquences dans des gammes de l'ordre du gigahertz, de symbole GHz. Grâce à de telles fréquences, on mesure aisément des épaisseurs de revêtement de l'ordre de la dizaine de micromètres, voire de la centaine de micromètres comme on l'expliquera ci-après.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux, et notamment lorsque les « creux » n'apparaissent pas, on fournit en outre le substrat non revêtu présentant une surface de substrat ; on émet en outre des ondes ultrasonores à ladite surface de substrat et on enregistre un autre signal réfléchi ; on transforme ledit autre signal réfléchi en autre signal fréquentiel ; et, on établit le rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement.
De la sorte, le rapport des spectres du signal réfléchi et de l'autre signal réfléchi correspondant au substrat non revêtu, lequel correspond à une fonction de transfert, permet d'obtenir un signal périodique sur lequel apparaissent clairement les différences de fréquences représentatives de l'épaisseur du revêtement.
Toutefois, pour certains revêtements et/ou certains substrats, malgré la mise en œuvre du substrat non revêtu pour établir un spectre du signal de référence, et en faire le rapport avec le signal fréquentiel réfléchi du substrat revêtu, aucun signal périodique identifiable n'apparaît. C'est notamment le cas lorsque le revêtement est brut et n'a pas été rectifié. Aussi, dans ces circonstances, de façon avantageuse, on réalise en outre une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences. Ainsi, grâce à cette opération, on vient épouser plus finement la forme du signal et en révéler ainsi la périodicité. Partant, on détermine plus aisément la différence de fréquences représentative de l'épaisseur du revêtement.
Préférentiellement, on procède au lissage des valeurs de fréquences dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel par sous- échantillonnage. De la sorte, on obtient un signal plus régulier. De surcroît, selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, mais non limitative, on procède au lissage des valeurs de fréquences dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel par moyenne glissante. La détermination des différences de fréquences est alors plus aisée et est reproductible.
En outre, on fournit avantageusement une pluralité de substrats revêtus d'un même revêtement métallique de différentes épaisseurs connues, et on émet des ondes ultrasonores à la surface des revêtements de chacun des substrats revêtus et on enregistre une pluralité de signaux qu'on transforme en une pluralité de signaux fréquentiels de manière à pouvoir déterminer une pluralité de différences de fréquences correspondant auxdites épaisseurs connues.
Préférentiellement, on détermine, en fonction desdites différences de fréquences et desdites épaisseurs connues, une fonction reliant l'épaisseur d'un revêtement et la différence de fréquence. Ainsi, on procède à un étalonnage pour pouvoir déterminer les différences de fréquences en fonction de l'épaisseur du revêtement. On observera que l'épaisseur est une fonction inverse des différences de fréquences et quelle est également fonction de la vitesse des ondes ultrasonores à travers le revêtement. Aussi, on détermine les paramètres d'une fonction Y = A/X de façon à pouvoir fournir une valeur de l'épaisseur pour chaque valeur de différence de fréquences.
Selon un autre objet, il est proposé un dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat, ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement, ledit dispositif de mesure comprenant : un traducteur pour émettre des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement selon une composante normale à ladite surface de revêtement ; un organe mémoire pour enregistrer un signal réfléchi et un organe de calcul relié audit organe mémoire pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement à partir dudit signal réfléchi mémorisé ; et ledit organe de calcul transforme en outre ledit signal réfléchi en signal fréquentiel pour pouvoir déterminer une différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.
Ainsi, le dispositif de mesure met en œuvre le procédé décrit ci-dessus et en présente par conséquent tous les avantages. Le traducteur émet des ondes longitudinales à haute fréquence, par exemple 50 MHz, et sous une incidence normale à la surface du revêtement. En outre, le traducteur est à large bande et il est muni d'un relais acoustique en silice.
Selon un mode préféré de mise en œuvre, ledit traducteur émet en outre des ondes ultrasonores à la surface du substrat non revêtu, tandis que ledit organe mémoire enregistre un autre signal réfléchi ; et ledit organe de calcul transforme ledit autre signal réfléchi en autre signal fréquentiel et établit le rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement. Le dispositif met ainsi en œuvre une caractéristique de la méthode décrite ci-dessus et en adopte ainsi tous les attributs.
De surcroît, ledit organe de calcul réalise en outre une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est un synoptique du dispositif permettant de mettre en œuvre le procédé selon l'invention pour mesurer l'épaisseur d'un revêtement ;
- la Figure 2 est une vue schématique d'un élément de l'invention représenté sur la Figure 1 dans une phase préparatoire ;
- la Figure 3 est un graphe du module d'un premier signal réfléchi en fonction du temps, enregistré grâce au dispositif illustré sur la Figure 1 , selon un exemple de réalisation ;
- la Figure 4 est un graphe du module du spectre en fréquence du premier signal réfléchi représenté sur la Figure 3 ;
- la Figure 5 est un graphe du module d'un deuxième signal réfléchi en fonction du temps, enregistré grâce au dispositif illustré sur la Figure 2 ;
- la Figure 6 est un graphe du module du spectre en fréquence du deuxième signal réfléchi représenté sur la Figure 5 ;
- la Figure 7 est un graphe résultant du rapport des spectres représenté sur les Figures 4 et 6 ;
- la Figure 8 est un graphe montrant les valeurs mesurées selon l'invention en fonction de l'épaisseur du revêtement ;
- la Figure 9 est un graphe du module d'un troisième signal réfléchi en fonction du temps, enregistré grâce au dispositif illustré sur la Figure 1 , selon un deuxième exemple de réalisation ;
- la Figure 10 est un graphe du module du spectre en fréquence du troisième signal réfléchi représenté sur la Figure 9 ; - la Figure 1 1 est un graphe résultant du rapport du spectre en fréquence représenté sur la Figure 10 et du spectre en fréquence d'un quatrième signal obtenu grâce au dispositif illustré sur la Figure 2 ;
- la Figure 12 est un graphe résultant d'un premier traitement du rapport des spectres illustré sur la Figure 1 1 ; et,
- la Figure 13 est un graphe résultant d'un second traitement du graphe illustré sur la Figure 12.
La Figure 1 illustre un substrat métallique 10 et un revêtement métallique 12. En l'espèce il s'agit d'un substrat métallique en alliage de titane comportant 6% d'aluminium et 4% de vanadium. Quant au revêtement métallique, il s'agit de carbure de tungstène d'une épaisseur de 200 μιτι. Bien évidemment, d'autres types de substrat et de revêtement métallique peuvent être mis en œuvre.
La Figure 1 illustre également un traducteur haute fréquence 14 permettant d'émettre des ondes ultrasonores, ici de 50 MHz, de manière longitudinale et à large bande. Le traducteur 14 est équipé d'un relais acoustique en silice. Le traducteur 14 est ajusté par rapport à la surface du revêtement métallique 12 de manière à pouvoir émettre les ondes ultrasonores sous une incidence normale. En outre, le traducteur 14 est relié à une carte électronique 16 qui le commande et recueille également les signaux réfléchis par le revêtement métallique 12 et le substrat métallique 10. Pour ce faire, la carte électronique 16 inclut un composant de commande 18 et un composant de mémorisation 20 ainsi qu'un composant de calcul 22 et un terminal d'affichage 24.
Ainsi, le traducteur 14 est destiné à émettre des ondes ultrasonores à la surface du revêtement 12 selon une incidence normale, sous la commande du composant de commande 18, et à recevoir en retour un signal en écho, lequel signal est alors enregistré dans le composant de mémorisation 20 pour pouvoir ensuite être traité dans le composant de calcul 22.
La Figure 2 illustre le même traducteur haute fréquence 14 en applique directement sur le substrat métallique 10 dépourvu de revêtement. La carte électronique 16 n'est ici pas représentée par souci de clarté. On expliquera ci- après l'intérêt de mettre en œuvre directement le traducteur haute fréquence 14 sur le substrat 1 0.
Ainsi, selon un premier exemple de mise en œuvre, le substrat est en alliage de titane et le revêtement 1 2 est en carbure de tungstène d'une épaisseur de 200 μιτι. Ce dernier a été rectifié pour rendre sa surface plus uniforme. Grâce au traducteur 14, on émet une onde ultrasonore de 50 MHz et on enregistre dans le composant de mémorisation 20 un signal temporel tel que représenté sur la Figure 3. On obtient ainsi le module de la réponse en ordonnée en fonction du temps en microsecondes selon les abscisses. Pour être exploité, ce signal est transformé en un signal fréquentiel grâce à la mise en œuvre d'une transformée de Fourier à travers le composant de calcul 22. On obtient alors le graphique illustré sur la Figure 4.
Ainsi, le graphique de la Figure 4 montre une courbe 24 du module du spectre en fréquence du signal représenté sur la Figure 3. Cette courbe présente deux « creux » 26, 28, soit deux valeurs de fréquence correspondant à un minimum. Ces deux points caractéristiques sont séparés l'un de l'autre d'environ AF=1 1 .25 MHz. On observera que la détection des deux points correspondant aux deux « creux » 26, 28, peut aisément être réalisée de manière automatique par le composant de calcul 22 en calculant la dérivée première de la courbe correspondante et en identifiant les points où elle s'annule.
En outre, on sait que l'épaisseur e du revêtement est non seulement fonction de l'écart de fréquence AF, mais aussi de la vitesse de propagation V des ondes ultrasonores dans le revêtement selon la formule e = V/2AF. La vitesse de propagation V étant en l'espèce de 4500 m/s, on retrouve bien les valeurs d'écart de fréquences AF et d'épaisseur e.
Toutefois, il est des circonstances ou l'identification des points caractéristiques est moins aisée et partant, on procède à une mesure d'un signal réfléchi sans revêtement, comme illustré la Figure 2.
Partant, grâce au traducteur 14, on émet une onde ultrasonore de 50 MHz et on enregistre dans le composant de mémorisation 20 un signal temporel que l'on trouve illustré sur la Figure 5. De la même façon que précédemment, le signal est transformé en un signal fréquentiel grâce à la mise en œuvre d'une transformée de Fourier à travers le composant de calcul 22 et on obtient alors le graphique illustré sur la Figure 6.
Grâce à son composant de calcul 22, on procède alors au calcul des rapports des modules du spectre illustré sur la Figure 4 et de ceux obtenus sur le dernier graphique de la Figure 6. Et on obtient alors la courbe périodique 30 représentée sur la Figure 7, après avoir réalisé d'une part, un premier lissage par sous-échantillonnage et d'autre part, un lissage complémentaire par la technique dite « des moyennes glissantes ». Ainsi, en effectuant le rapport des spectres, du signal réfléchi en présence du revêtement 1 2 et en l'absence de revêtement, on obtient une meilleure définition du signal. On identifie ainsi plus clairement l'écart de fréquences AF entre les extremums 32, 34, 36, lequel est représentatif de l'épaisseur du revêtement.
Par définition de l'épaisseur e en fonction de l'écart de fréquences AF, la courbe représentative des écarts de fréquences en fonction de l'épaisseur est une hyperbole. Ainsi, en mettant en œuvre une pluralité de revêtement d'épaisseur différente, par exemple comprise entre 1 00 μιτι et 300 μιτι, on détermine alors les paramètres d'une courbe hyperbolique représentative de l'épaisseur d'un revêtement donné sur un substrat donné par rapport aux écarts de fréquences obtenus selon l'invention. La Figure 8 illustre un graphique montrant une telle courbe 38.
Bien entendu, il est envisagé de mettre en œuvre des revêtements dont l'épaisseur est inférieure à 1 00 μιτι pour pouvoir les mesurer selon la méthode objet de l'invention.
Ainsi, dans un processus de contrôle continu de pièces rectifiées, dont les natures de substrat et de revêtement sont déterminées, on peut alors déterminer l'épaisseur du revêtement par simple mise en œuvre du traducteur
14 par l'intermédiaire de la carte électronique 1 6.
Selon un deuxième exemple de mise en œuvre, on fournit un substrat en alliage de titane identique à celui du premier exemple, et on y dépose un revêtement en carbure de tungstène d'une épaisseur de 200 μιτι sans rectification. Partant, la surface du revêtement est moins uniforme que celle du revêtement rectifié. On procède alors de façon identique au premier exemple de mise en œuvre, et grâce au traducteur 14, on émet une onde ultrasonore de 50 MHz et on enregistre dans le composant de mémorisation 20 un signal temporel représenté sur la Figure 9. Ensuite, ce signal est transformé en un signal fréquentiel grâce à la mise en œuvre d'une transformée de Fourier à travers le composant de calcul 22. On obtient alors le graphique illustré sur la Figure 4 montrant une courbe 40. Or, contrairement à la courbe 24 illustrée sur la Figure 4, cette courbe 40 ne présente pas de points singuliers remarquables. Aussi, comme indiqué ci-dessus, on procède à une mesure d'un signal réfléchi sans revêtement et on procède alors au rapport des deux spectres avec revêtement et sans revêtement. On obtient alors la courbe 42 illustrée sur le graphique de la Figure 1 1 . Certains points singuliers 44, 46 semblent se dessiner sans toutefois apparaître clairement.
Aussi, dans de telles circonstances, on réalise un traitement du signal par l'algorithme de Savitzky-Golay. Ainsi, on réalise une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant de la courbe 42, soit du rapport des signaux fréquentiels avec revêtement et sans revêtement. Et on obtient alors la courbe périodique 48 représentée sur le graphe de la Figure 12. Elle révèle alors les extremums 50, 52, 54 espacés les uns des autres d'une valeur de fréquence sensiblement égale à 9 MHz. De la sorte, on en déduit l'épaisseur grâce à la formule e = V/2AF, comme indiqué ci-dessus, après avoir réalisé un étalonnage avec différentes épaisseurs connues de revêtement sur le substrat considéré. En l'espèce, la vitesse de propagation V à travers le revêtement est sensiblement de 3600 m. s"1 , et partant, l'épaisseur e du revêtement est elle- même de sensiblement 200 μιτι.
Il est également possible, pour une meilleure identification de l'intervalle de fréquences, d'appliquer à la courbe 48 un traitement complémentaire soit une dérivation d'ordre deux. On obtient alors la courbe 56 représentée sur le graphique de la Figure 13. La nature périodique de la courbe 56 apparaît ainsi encore plus clairement et l'intervalle de fréquences il y est plus directement lisible.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique d'un substrat, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- on fournit un substrat (10) revêtu d'un revêtement métallique (12), ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement ;
- on émet des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement selon une composante normale à ladite surface de revêtement et on enregistre un signal réfléchi pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement ;
caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes :
- on fournit en outre le substrat (10) non revêtu présentant une surface de substrat ;
- on émet en outre des ondes ultrasonores à ladite surface de substrat (10) et on enregistre un autre signal réfléchi ;
- on transforme ledit signal réfléchi en signal fréquentiel, et on transforme ledit autre signal réfléchi en autre signal fréquentiel ;
- on établit le rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour déterminer ladite différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement (12) de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.
2. Procédé de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'on fournit un substrat métallique.
3. Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on émet des ondes ultrasonores à haute fréquence.
4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, caractérisé en ce qu'on réalise en outre une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences.
5. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on procède au lissage des valeurs de fréquences dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel par sous- échantillonnage.
6. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à
5, caractérisé en ce qu'on procède au lissage des valeurs de fréquences dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel par moyenne glissante.
7. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à
6, caractérisé en ce qu'on fournit en outre une pluralité de substrats revêtus d'un même revêtement métallique de différentes épaisseurs connues, et en ce qu'on émet des ondes ultrasonores à la surface des revêtements de chacun des substrats revêtus et on enregistre une pluralité de signaux qu'on transforme en une pluralité de signaux fréquentiels de manière à pouvoir déterminer une pluralité de différences de fréquences correspondant auxdites épaisseurs connues.
8. Procédé de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on détermine, en fonction desdites différences de fréquences et desdites épaisseurs connues, une fonction reliant l'épaisseur d'un revêtement et la différence de fréquence.
9. Dispositif de mesure de l'épaisseur d'un revêtement métallique (12) d'un substrat (10), ledit revêtement métallique présentant une surface de revêtement, ledit dispositif de mesure comprenant :
- un traducteur (14) pour émettre des ondes ultrasonores à ladite surface de revêtement (12) selon une composante normale à ladite surface de revêtement ;
- un organe mémoire (20) pour enregistrer un signal réfléchi et un organe de calcul (22) relié audit organe mémoire pour pouvoir calculer l'épaisseur dudit revêtement à partir dudit signal réfléchi mémorisé ;
caractérisé en ce que ledit traducteur (14) émet en outre des ondes ultrasonores à la surface du substrat non revêtu, tandis que ledit organe mémoire (20) enregistre un autre signal réfléchi ;
et en ce que ledit organe de calcul (22) transforme en outre ledit signal réfléchi en signal fréquentiel, tandis que ledit organe de calcul (22) transforme ledit autre signal réfléchi en autre signal fréquentiel et établit le rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour déterminer une différence de fréquences représentative de ladite épaisseur dudit revêtement (12) de façon à calculer l'épaisseur dudit revêtement.
10. Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit organe de calcul (22) réalise en outre une régression polynomiale sur un intervalle de fréquences glissant dudit rapport dudit signal fréquentiel et dudit autre signal fréquentiel pour pouvoir déterminer ladite différence de fréquences.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4365545A1 (fr) * 2022-11-07 2024-05-08 Tata Consultancy Services Limited Estimation non destructive de l'épaisseur de couche de revêtement sur la base d'une technique d'onde guidee photo-acoustique à fréquence de balayage

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5271274A (en) * 1991-08-14 1993-12-21 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Thin film process monitoring techniques using acoustic waves
US5305239A (en) * 1989-10-04 1994-04-19 The Texas A&M University System Ultrasonic non-destructive evaluation of thin specimens
US20040045356A1 (en) * 2000-08-29 2004-03-11 Dwyer-Joyce Robert Sean Method and apparatus for determining thickness of a lubricant film
KR100671418B1 (ko) * 2003-12-22 2007-01-18 재단법인 포항산업과학연구원 전자 유도 초음파를 이용한 금속판 두께 측정 장치
JP2008116406A (ja) * 2006-11-07 2008-05-22 Nippon Steel Corp メッキ厚計測装置、メッキ厚計測方法、プログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体
WO2017109490A1 (fr) * 2015-12-22 2017-06-29 The University Of Sheffield Ultrasons à ondes continues permettant d'analyser une surface

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5305239A (en) * 1989-10-04 1994-04-19 The Texas A&M University System Ultrasonic non-destructive evaluation of thin specimens
US5271274A (en) * 1991-08-14 1993-12-21 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Thin film process monitoring techniques using acoustic waves
US20040045356A1 (en) * 2000-08-29 2004-03-11 Dwyer-Joyce Robert Sean Method and apparatus for determining thickness of a lubricant film
KR100671418B1 (ko) * 2003-12-22 2007-01-18 재단법인 포항산업과학연구원 전자 유도 초음파를 이용한 금속판 두께 측정 장치
JP2008116406A (ja) * 2006-11-07 2008-05-22 Nippon Steel Corp メッキ厚計測装置、メッキ厚計測方法、プログラム及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体
WO2017109490A1 (fr) * 2015-12-22 2017-06-29 The University Of Sheffield Ultrasons à ondes continues permettant d'analyser une surface

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4365545A1 (fr) * 2022-11-07 2024-05-08 Tata Consultancy Services Limited Estimation non destructive de l'épaisseur de couche de revêtement sur la base d'une technique d'onde guidee photo-acoustique à fréquence de balayage

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