Génération et détection sans contact des ondes de Rayleigh par méthodes ultrasons-laser et EMAT en mode statique et dynamique : application à la détection de défauts surfaciques dans le champignon du rail

Non-contact generation and detection of Rayleigh waves by laser-ultrasonics and EMAT methods in static and dynamic modes : application to the detection of surface defects in rail heads

• Auteur / Autrice : Bada Ndao
• Direction : Marc Duquennoy, Gérard Bourse, Frédéric Jenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 15/12/2016
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - École nationale supérieure des techniques industrielles et des mines (Douai, Nord). Département Technologie des Polymères et Composites et Ingénierie Mécanique (2005-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Communauté d'Universités et Etablissements (ComUE) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement privé partenaire de recherche : Railenium, Institut de recherche technologique de la filière ferroviaire (Valenciennes, Nord)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Dazel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Duquennoy, Gérard Bourse, Frédéric Jenot, Christian Burtin, Hugues Duflo, Philippe Martin, Adnane Boukamel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Burtin, Hugues Duflo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transducteurs piézoélectriques

Ultrasons -- Applications industrielles

Contrôle non destructif

Mots clés libres

Ultrasons

Laser

Emat

Ondes de Rayleigh

Cnd

Rail

Squats

Head-Checks

Laser

Ultrasonics

Rayleigh waves

Ndt

Rail

Squats

Head-Checks

Résumé

Les squats et les head-checks sont des défauts générés par l’endommagement des rails dû à la fatigue de contact de roulement, ils sont localisés à la surface du champignon du rail. La possibilité de les détecter en modes statique et dynamique lorsque leur profondeur se situe sous le seuil critique de 5 mm, constitue un challenge important pour l’industrie ferroviaire. Les méthodes d’inspection existantes ne permettent pas de les déceler avec certitude. L’objectif de ce travail a été de développer des méthodes alternatives pour l’inspection automatique du rail permettant de détecter ces défauts superficiels. Nous montrons que les méthodes sans contact : Ultrasons-Laser et EMATs (transducteurs électromagnétiques) sont très performantes pour la détection des défauts définis précédemment en utilisant des ondes acoustiques de surface, notamment dans le cas d’un contrôle dynamique. Cette étude présente les deux méthodes utilisées pour la génération et la détection des ondes de Rayleigh. Des essais sont effectués en modes statique et dynamique. Les résultats obtenus montrent la faisabilité des méthodes de contrôle non destructives envisagées pour la détection de squats et de head-checks de différentes profondeurs. Les essais EMAT se sont notamment révélés satisfaisants pour des vitesses importantes de déplacement de l’échantillon.

Squats and head-checks are a form of near surface rolling contact fatigue damage found in rail heads. The ability to detect these defects in static and dynamic modes when their depth is under the critical threshold of 5 mm represents a major challenge for the rail industry. Conventional inspection methods do not allow their detection with certainty. Therefore, the aim of this work was to develop alternative methods for automatic rail inspection leading to open cracks detection. We show that non-contact methods: Laser-Ultrasonics and electromagnetic transducers (EMAT) are very efficient for the detection of the previously defined defects using surface acoustic waves, particularly in the case of a dynamic control. This study presents two methods for the generation and detection of Rayleigh waves. Static and dynamic tests are performed. The experimental results show the feasibility of the envisaged methods for the detection of squats and head-checks of different depths. Especially, the EMAT tests were satisfactory for high speeds displacement of the sample.