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Procédê et dispositif de mesure en ligne de
caractêristiques d'un revêtement de surface d'un produit
métallurgique.
La présente invention concerne la détermination de
caractéristiques d'un revêtement de surface de produits
métallurgiques, en particulier en ligne, lors du
défilement du dit produit en cours de fabrication. Elle
vise plus particulièrement la détermination des
caractéristiques de revêtement de galvanisation sur
bandes en acier, en particulier du type connue dans le
commerce sous le nom de tôles GALVALLIA °.
I1 est rappelé ici que ces tôles sont des bandes
galvanisées qui subissent un traitement thermique dit
d'alliation, visant à fournir à ces bandes des
caractéristiques de surface améliorées, par exemple
permettant une meilleure adhérence des peintures ou
offrant une meilleure emboutissabilité.
Ce traitement d'alliation est un traitement
thermique effectué sur la bande galvanisée dans une tour
d'alliation où la bande galvanisée défile en continu. Le
traitement thermique vise à assurer une diffusion du fer
de la sous-couche vers la surface, pour atteindre les
objectifs cités ci-dessus. Typiquement, le taux
d'alliation se situe aux environ de 10~ en proportion de
fer par rapport au zinc.
Actuellement cependant, le niveau d'alliation
souhaité, c'est à dire l'importance relative de cette
diffusion, varie considérablement d'un utilisateur des
dites bandes à l'autre, et il est donc important de
pouvoir assurer en cours de fabrication un contrôle en
continu du niveau d'alliation. Pour satisfaire la demande
des clients, utilisateurs des dites bandes revêtues, il
est donc nécessaire de modifier en cours de fabrication
les paramètres de réglage de l'installation qui réalise
le traitement thermique d'alliation, à savoir
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essentiellement la température et la durée du traitement.
Actuellement, aucun système ne permet de vérifier
en temps réel et en ligne que les caractéristiques
surfaciques du GALVALLIA ~ sont bien celles souhaïtées.
En effet, on sait que l'allïation provoque des
modifications des propriétés surfaciques importantes en
termes de physico-chimie et de microgéométrie de la
surface. Or actuellement, le niveau d'alliation n'est
déterminé qu'en laboratoire à partir de mesure de
poudrage, de taux de fer, ou encore d'analyse
métallographique permettant de caractériser les cristaux
de surface du revêtement.
Par ailleurs, pour obtenir une évaluation la plus
précise possible de l'alliation de la surface, il est
aussi nécessaire de s'affranchir, lors de la mesure, des
variations morphologiques, telles que micro-rugosité ou
caractéristiques géométriques équivalentes, pour n'être
sensible qu'aux variations physico-chimiques de la
surface. Ces variations physico-chimiques de l'extrême
surface sont en effet une image de la migration des
atomes de fer du revêtement vers l'extrême surface, ce
qui correspond au niveau d'alliation du produit.
En conséquence de ces contrôles différés par
rapport à la production, des défauts peuvent apparaître
sur les bandes, tels que par exemple poudrage ou
décollement du revêtement, dû à un niveau d'alliation
excessif.
La présente invention a notamment pour but de
résoudre ces problèmes et de proposer un contrôle en
ligne du niveau d'alliation des surfaces pour pouvoir
garantir un produit homogène et reproductible, et pour
assurer le pilotage de la tour d' alliation. Elle vise en
particulier à limiter les défauts survenant sur ces
bandes, tels que poudrage ou décollement du revêtement,
et à assurer un produit homogène et reproductible,
notamment en évitant ou au moins en réduisant les zones
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transitoires de sous ou sur-alliation, c'est à dire des
zones dont le niveau d'alliation est incertain du fait
des changements volontaires des paramètres du process, et
dont le contrôle ne peut être effectué suffisamment
rapidement. De manière plus générale, l'invention vise à
permettre la détermination en ligne de caractéristiques
de surface d'un revêtement de bandes, susceptibles de
varier en fonction des caractéristiques physico-chimiques
dudit revêtement.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a d'abord
pour objet un procédé de mesure de caractéristiques d'un
revêtement de surface de produits métallurgiques, en
particulier en ligne lors du défilement dudit produit en
cours de fabrïcation, caractérisé en ce que, dans le but
d'exposer une zone de la surface dudit produit à un
rayonnement incident dirigé orthogonalement à ladite
surface et de mesurer ensuite, également selon une
direction orthogonale à la surface, l'énergie du
rayonnement réfléchi par la zone exposée, on illumine
ladite zone d'exposition au moyen d'une fibre optique
d'éclairement reliée à une source d'émission du
rayonnement incident sous une longueur d'onde
prédéterminée, et on mesure le rayonnement réfléchi au
moyen d'une fibre optique de mesure reliée à un capteur,
les extrémités libres des deux fibres optiques étant
dénudées et maintenues à proximité étroite l'une de
l'autre et parallèlement l'une à l'autre.
L'invention exploite donc le fait que les
modifications des propriétés de surface dues à des
modifications des caractéristiques physico-chimiques du
revêtement se traduisent par des variations des
propriétés de réflexion de la dite surface. Par ailleurs,
la configuration, selon laquelle tant l'éclairement que
l'observation du rayonnement réfléchi sont réalisés
orthogonalement à la surface, permet de ne rester
sensible qu'aux variations physico-chimiques de la
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surface en s'affranchissant des variations
morphologiques. De fait, les résultats attendus de la
mesure par la mise en oeuvre de l'invention ne seront
atteints que si cette orthogonalité est respectée et si
les deux fibres optiques concernées, fibre aller et fibre
retour du rayonnement, sont très voisines l'une de
l'autre dans leur portion terminale en regard de la
surface du produit. Ceci est réalisé conformément à
l'invention à partir de fibres optiques du commerce dont
on dénude préalablement l'extrémité libre, c'est-à-dire
qu'on les débarrasse de leur accessoires de focalisation
otique habituels encombrants pour ne conserver que la
fïbre elle-même â l'état dépouillé.
Les extrémités libres des deux fibres optiques
peuvent dès lors être maintenues au voisinage immédiat de
la surface, typiquement par exemple à une distance
d'environ 10 à 50 mm de celle-ci, et parallèlement l'une
à l'autre. Cette disposition permet d'éviter
l'utilisation de tout autre système optique de
focalisation, tout en autorisant, grâce à la faible
section des fibres optiques utilisées (de l'ordre de 0.1
mm généralement), et grâce au rapprochement étroit
autorisé des fibres entre elles (entraxe maximal
également de l'ordre de 0.1 mm), la mesure pratiquement
exactement dans la zone éclairée, et avec une orientation
normale à la surface tant pour l'éclairement que pour la
mesure, comme on le verra mieux par la suite.
Dans le cas de l'application, particulièrement
visée par l'invention, à la mesure du taux d'alliation du
GALVALLIA ~, plus le flux réfléchi est élevé, plus le
taux d'alliation est faible, puisque c'est le zinc du
revêtement qui procure une réflexion plus forte que le
fer.
L'information tirée en temps réel de cette mesure
peut alors être utilisée comme paramètre de commande pour
piloter la tour d'alliation, et également être exploitée
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en contrôle qualité pour garantir. aux clients les
propriétés d'alliation de la totalité d'une bobine
livrée.
Préférentiellement, le rayonnement utilisé se situe
5 dans le domaine du proche infrarouge, plus
particulièrement au voisinage de 830 nm de longueur
d'onde. Ce domaine de rayonnement s'est en effet révélé,
suite aux essais réalisés par les inventeurs, un optimum
pour la sensibilité de la mesure, en tenant compte en
outre des sources de rayonnement couramment disponibles,
telles que par exemple une diode laser travaillant à
cette longueur d'onde.
Selon une disposition complémentaire avantageuse,
on mesure également le rayonnement réfléchi selon une ou
plusieurs directions obliques par rapport à la surface,
par exemple de 0 à 30° par rapport à la normale à la
surface, ce qui permet d'évaluer l'énergie diffusée par
la dite surface et d'en tirer des informations
complémentaires sur le niveau d'alliation ou sur d'autres
caractéristiques de la surface, telles que par exemple
des caractéristiques micro-géométriques, qui peuvent
aussi être éventuellement corrélées avec la mesure de
réflexion directe pour donner des informations
complémentaires sur les caractêristiques générales du
revétement.
La mesure du rayonnement réfléchi selon une ou
plusieurs directions non orthogonales à la surface permet
en soi d'obtenir une évaluation du niveau d'alliation
car, indépendamment de caractéristiques morphologiques
telles que micro rugosité ou similaire, il a été constaté
un lien entre la diffusion selon certains angles de
réflexion et le niveau d'alliation, plus le niveau
d'alliation est élevé, plus le rayonnement réfléchi est
diffus. Ainsi, la comparaison entre l'intensité du
rayonnement réfléchi selon une direction inclinée par
rapport à la surface, et celle du rayonnement réfléchi
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perpendiculairement à cette surface, permet à elle seule
d'évaluer l'importance de l'alliation, comme on le verra
par la suite.
L'invention a aussi pour objet un dispositif pour
la mise en ouvre du procédé défini précédemment,
caractérisé en ce qu'il comprend une tête de mesure ayant
une surface frontale destinée à être placée en regard de
la surface du produit à inspecter, et comportant une
fibre optique d'éclairement et une fibre optique de
l0 mesure, ces deux fibres optiques ayant chacune, au niveau
de la face frontale de la tête, une extrémité libre
dénudée afin que les portions terminales correspondantes
desdites fibres soient disposées parallèles et
rapprochées l'une de l'autre le plus possible, l'autre
extrémité de la fibre optique d'éclairement étant par
ailleurs reliée à une source de rayonnement lumïneux et
l'autre extrémité de la fibre optique de mesure étant
reliée à un capteur, le dispositif comprenant en outre
des moyens de traitement du signal fourni par ledit
capteur pour déterminer l'intensité du rayonnement qui
lui est transmis par la fibre optique de mesure (3).
Selon d'autres dispositions préférentielles de
l'invention .
- le dispositif comporte un capteur de distance
pour contrôler ou mesurer en permanence la distance entre
les extrémités des fibres optiques et la surface du
produit
- la tête de mesure comporte au moins une fibre
optique supplémentaire reliée à un capteur spécifique, et
dont la partie d'extrémité est orientée obliquement par
rapport à la portion d'extrémité de la fibre optique
d'éclairement. L'orientation des différentes fibres sera
déterminée aussi de manière que leurs directions soient
concourantes sur la même zone de surface éclairée par la
fibre d'éclairement.
- la source de rayonnement est une diode laser,
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dont la longueur d'onde 'émission est d'environ 830 nm.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront
plus clairement au vu de la description qui va être faite
relative à la mesure en ligne du niveau d'alliation de
tôles de type GALVALLIA ~ et en référence aux planches de
dessins annexées sur lesquelles:
- la figure 1 est un schéma de principe de la mesure,
- la figure 2 est une vue schématique du dispositif,
- la figure 3 est une vue en coupe de la tête de mesure
- la figure 4 est un graphique illustrant les résultats
d'une série de mesures sur des
bobines de tôle GALVALLIA ~ présentant des niveaux
d'alliation différents.
Sur le schéma de la figure 1, on a représenté une
bande d'acier en défilement, dont une zone 11 de sa
surface 1 est éclairée par un rayonnement infrarouge 23
issu de l'extrémité 21 d'une fibre optique d'éclairement
2, maintenue perpendiculairement à la surface de la
bande. Une deuxième fibre optique 3, parallèle à la fibre
d'éclairement 2 et à proximité directe de celle-ci, a son
extrémité 31 située au même niveau que celle de la
première fibre, et capte le rayonnement réfléchi 33,
fourni par la fibre optique d'éclairement et réfléchi par
la bande.
En fait, compte tenu de la distance minimale
inévitable entre les axes des deux fibres, même si elle
est réduite au maximum en raison de la dénudation
préalable de l'extrémité libre de chaque fibre, la zone
de surface 12 vue par la fibre optique de mesure 3 n'est
pas exactement la zone éclairée 11, mais, grâce au fait
que cette distance est très faible et du fait de la
formation naturelle d'un cône de diffusion 23 issu de
l'extrémité des fibres, il y a un recouvrement 13
relativement important des zones respectivement éclairée
et observée, permettant d'assimiler le rayonnement capté
par la fibre de mesure 3 à la totalité du rayonnement
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issu de la fibre d'éclairement 2 et réfléchi
perpendiculairement à la surface 1.
On notera aussi sur la figure 1 la présence
avantageuse d'une troisième fibre optique 4, dont
l'extrémité 41 est inclinée d' environ 30° sur la
verticale par rapport aux deux premïêres et dont la zone
d'observation est sensiblement la même que celle de la
fibre de mesure 3.
La figure 2 illustre un exemple de réalisation du
dispositif, sous forme d'un coffret 5 contenant d'une
part une tête de mesure 51 et deux capteurs de distance
sans contact 52, de type connu en soi, disposés sur une
même paroi 53 du coffret, qui sera placée en utilisation
à une distance de l'ordre de quelques dizaines de
millimètres de la surface de la bande contrôlée.
La tête de mesure 51, représentée en coupe figure
3, comporte un corps 54 de forme cylindrique qui comprend
essentiellement une paroi frontale 55 dans laquelle sont
percés plusieurs orifices 61 à 64, destinés à recevoir
les extrémités des différentes fibres optiques du
système. Le premier de ces orifices 61 est
perpendiculaire à la surface extérieure de la paroi
frontale 55, et de forme adaptée pour recevoir
simultanément la fibre optique d'éclairement 2 et la
fibre de mesure 3. Les trois autres orifices 62, 63, 64
sont orientés selon des angles croissants par rapport à
la direction du premier orifice, à savoir par exemple 10,
20 et 30°, et leurs directions sont concourantes, et ils
reçoivent chacun l'extrémité d'une fibre optique
complémentaire, respectivement 41,42,43.
Comme on le voit figure 2, toutes les fibres 2, 3,
41, 42, 43, sont regroupées dans un même faisceau 56 qui
sort du boîtier 5. La fibre optique d'éclairement 2 est
reliée à une source de rayonnement infrarouge, telle
qu'une diode laser 24, et les autres fibres 3, 41, 42, 43
sont respectivement reliées à des capteurs 34, 44, de
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type connu en soi, pour la mesure de l'intensité du
rayonnement rêfléchi, les signaux issus des capteurs
étant traités par une unité de traitement 57.
Le graphique de la figure 4 illustre les résultats
de mesures effectuées au moyen du dispositif qui vient
d'être décrit sur une bande en défilement. En fait, dans
l'exemple représenté, les mesures ont été effectuées
pendant le défilement de 10 bobines de bandes, repérées
b1 à b10, ayant des taux d'alliation différents.
Les deux premières bobines bl et b2 ont un taux
d'alliation d'environ 10~, et un poudrage, mesuré dans
des conditions d'essai normalisées, de 3 à 4 grammes/m2
(masse de poudre séparée de la bande dans les conditions
de l'essai)
Les bobines b3 à b6 ont un taux d'alliation de 12
et un poudrage de 5 à 6 g/m2. Les bobines b7 à b9 ont un
taux d'alliation de 11 % et un poudrage de 4 g/m2.La
bobine b10 a un taux d'alliation de 13 ~ et un poudrage
de 7 g/m2.
Les deux tracés qui y sont représentés
correspondent respectivement aux mesures de l'intensité
réfléchie en fonction du temps, c'est à dire en fonction
de la longueur de bande de tôle défilant dans le four
d'alliation. Le tracé T1 situé le plus vers le haut du
graphique représente l'intensité du rayonnement capté par
la fibre optique de mesure 3, et le tracé T2 situé le
plus vers le bas représente l'intensité du rayonnement
capté par la fibre optique 43 qui passe dans l'orifice 64
incliné à 30°.
On voit clairement que plus le taux d'alliation est
faible (bobines 1 et 2), plus l'intensité du signal
réfléchi est élevée, ce qui correspond bien à une forte
réflectivité due à la faible proportion de fer dans le
zinc du revêtement, et inversement, si le taux
d'alliation est élevé (bobine 10), l'intensité réfléchie
est plus faible, illustrant la perte de réflectivité due
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à la présence plus importante de fer en surface.
On remarque aussi que l'écart entre les tracés T1
et T2 est nettement plus important dans le cas des
bobines bl et b2 ou b7 à b9, que pour les bobines b3 à b6
5 et b10, ce qui illustre aussi le fait que la dispersion
du rayonnement réfléchi est plus élevée en cas de faible
niveau d'alliation, donc lorsque la quantité de fer en
surface est moindre.
L'invention n'est pas limitée ni dans la
10 réalisation du dispositif -ou de la tête de mesure, ni
dans la mise en ouvre du procédé, à l' exemple décrit ci
dessus. En particulier, la diode laser infrarouge pourra
être remplacée par d'autres sources de rayonnement, de
longueur d'onde adéquate en fonction de la surface à
contrôler. On pourra aussi contrôler de manière similaire
d'autres produits que le GALVALLIA ~, et aussi analyser
les signaux issus des différents capteurs reliés aux
fibres optiques ayant des inclinaisons différentes, pour
en tirer d'autres informations en particulier sur des
caractéristiques morphologiques de la surface.
