Technologie des instruments de mesure

Lorsqu’un matériau ferromagnétique est exposé à un champ magnétique externe, la pièce est magnétisée plus ou moins fortement, selon le matériau et la forme. La magnétisation se fait en trois étapes. Tout d’abord, les murs de Bloch se déplacent et commencent à fusionner. Plus tard, les aimants élémentaires du matériau s’alignent avec le champ magnétique externe et sont finalement ancrés dans le matériau (dipôle magnétique). Cela se produit, par exemple, lorsqu’un aimant adhère au composant ou lorsque des dispositifs de serrage magnétique sont utilisés. L’intensité du champ magnétique est mesurée comme l’intensité du champ H dans l’unité A/m (ampère/mètre). Après suppression du champ magnétique externe, une certaine quantité de magnétisation reste dans le composant. Cette partie est appelée rémanence ou magnétisme résiduel ; selon la zone économique, on utilise ici les unités A/m, A/cm, mT (millitesla) ou Gauss.

La première influence magnétique sur le composant se produit déjà dans l’aciérie. Après le processus de recuit ou de laminage, les aciers ferromagnétiques peuvent être magnétisés pendant le refroidissement sous l’influence du champ magnétique terrestre. Les trois catégories suivantes de magnétisme résiduel peuvent se produire dans les composants ferromagnétiques:

• Magnétisation dipolaire du composant avec formation d’un pôle principal
• l’aimantation polaire fine, c’est-à-dire une aimantation à la surface de la pièce avec une faible amplitude du champ magnétique parasite
• Forme mixte des deux types de magnétisation dans différentes parties du composant

Les procédés utilisés dans les aciéries n’ont pas tendance à magnétiser la matière première. Ces pièces peuvent même avoir une structure magnétique neutre, ce qui est idéal d’un point de vue magnétique.

Le contact avec les dispositifs de levage et de serrage magnétiques détruit l’état magnétique idéal et la détection magnétique des fissures largement utilisée dans l’industrie.

Le magnétisme résiduel à pôles fins est créé au cours d’un processus de fabrication ultérieur : un composant peut entrer en contact d’innombrables fois avec des champs magnétiques plus ou moins puissants de polarité aléatoire. Ils peuvent provenir de diverses sources ou procédés, tels que les oscillateurs linéaires, les outils de coupe, les procédés de trempe ou autres. Ces effets magnétiques ont tendance à entraîner une magnétisation polaire fine du composant.

La liste suivante montre quels processus peuvent produire du magnétisme résiduel et à quelle hauteur. La rémanence dépend de la matière du composant qui passe par le processus ; les valeurs indiquées sont des valeurs standard mesurées avec une sonde de Hall à une distance de mesure de 0,5 mm.

• >100 A/cm Test de fissuration (test de fuite de flux et de particules magnétiques)
• >100 A/cm Utilisation d’aimants de levage ou de manutention de charges (permanents ou électriques)
• 50–>100 A/cm Utilisation de dispositifs de serrage (permanents ou électriques)
• 50–>100 A/cm Poser des supports magnétiques (par exemple, des comparateurs à cadran)
• 30–60 A/cm Processus de soudage
• 30–50 A/cm Usinage avec des outils magnétisés, des dispositifs de serrage, etc.
• 30–40 A/cm Manipulation avec des outils magnétisés, des supports, des pinces, etc.
• 10–20 A/cm Les procédés galvaniques et électro-érosifs (chromage, érodage, etc.)
• 5–15 A/cm Certains procédés de revêtement PVD (par exemple, la pulvérisation magnétron)
• 5–15 A/cm Processus de formation (changements structurels dans le matériel)

Voici quelques exemples de la manière dont une certaine valeur de magnétisme peut affecter un objet :

• > 1000 A/cm = Force d’un aimant permanent.
•   20–200 A/cm = Magnétisation après contact avec une plaque de serrage magnétique, en fonction des propriétés du matériau.
• > 10 A/cm = Les éléments commencent à s’adhérer les uns aux autres.
• > 8 A/cm = Les copeaux de métal collent.
• > 4 A/cm = Les plus petites pièces métalliques collent et contaminent la pièce
• > 2 A/cm = La poussière de meulage adhère.
• > 1,5 A/cm = Le soudage par faisceau d’électrons est affecté.
• ~ 0,4 A/cm Approximativement la force du champ magnétique terrestre.

Le magnétisme résiduel des composants est généralement mesuré à l’aide d’un mesureur de champ magnétique portatif. Ces instruments de mesure sont appelés magnétomètres, compteurs de champ, gaussmètres ou teslamètres.

L’aimantation d’un composant ne peut être efficacement mesurée qu’à sa surface. Là, les lignes de champ magnétique émergent du matériau et peuvent être détectées par l’appareil de mesure. Toutefois, à une distance de 2 mm au-dessus de la surface du composant, la limite est déjà atteinte dans certains cas – à partir de là, le magnétisme de pôle fin sera à peine détectable.

Le résultat de la mesure dépend de la construction et de la conception de la sonde de mesure. La distance à la surface joue un rôle important. Si la sonde est également équipée d’un collecteur de flux, les résultats des mesures peuvent à nouveau changer considérablement.

Nulle part il n’est spécifié de manière contraignante comment procéder pour mesurer le magnétisme résiduel, car il n’existe pas de normes. Bien que des normes internes à l’entreprise soient formulées, elles ne sont généralement pas compatibles entre elles dans une chaîne d’approvisionnement. Cela entraîne des divergences et des malentendus. C’est pourquoi une description doit être donnée pour chaque valeur mesurée, avec quelle sonde de mesure et dans quel environnement elle a été déterminée. De cette façon, la valeur mesurée de la pièce peut être interprétée et suivie à tout moment. Les sondes de mesure minces qui ne sont pas spécialement conçues pour mesurer le magnétisme résiduel peuvent entraîner des erreurs de mesure considérables en raison d’une contrainte mécanique, même légère, comme la flexion de la sonde.

Pour mesurer le magnétisme résiduel, il faut utiliser un instrument de mesure capable de détecter de manière fiable les caractéristiques du champ magnétique, même à petite échelle, et d’en afficher les valeurs. Les points suivants doivent être respectés pour la méthode de recherche appropriée:

1. Il convient d’utiliser un instrument de mesure déjà établi dans l’industrie et pour lequel il existe des procédures de mesure. En Europe, l’instrument de mesure que nous produisons est devenu un quasi-standard. L’Asie utilise également des équipements de même type. Aux États-Unis, la mesure à l’aide d’un gaussmètre comme horloge est encore très répandue.
2. Avant la mesure, une méthode de recherche appropriée est définie afin que les résultats soient reproductibles et comparables.
3. Les champs magnétiques ambiants peuvent fausser le résultat des mesures. Cela est dû à la grande perméabilité d’une pièce ferromagnétique qui peut multiplier le champ ambiant. Le champ magnétique terrestre est un tel champ magnétique – parce que les champs magnétiques externes sont concentrés dans la composante. Avec des composants allongés, l’effet peut être multiplié par 5 à 10. Ce magnétisme induit ajoute ou soustrait vectoriellement au magnétisme résiduel du composant.

Dans le cas d’une magnétisation à pôles fins, la distance entre le capteur et la surface doit être aussi faible que possible, puisque les lignes de champ se trouvent directement à la surface du composant. Un instrument de mesure avec collecteur de flux ne convient pas, car ceux-ci lissent le flux de fuite du magnétisme résiduel à pôles fins, ce qui signifie que rien ne peut être mesuré. Les comparateurs à cadran, largement utilisés aux États-Unis, ne peuvent pas détecter le magnétisme des pôles fins, principalement parce que la distance entre le capteur et le composant est trop grande.

L’aimantation à l’intérieur d’un composant ne peut être anticipée que dans une mesure très limitée à partir du magnétisme résiduel mesuré à la surface – un circuit magnétique fermé à l’intérieur d’un composant ne peut être mesuré de manière non destructive. Ce qui est trompeur dans ce scénario, c’est qu’aucun magnétisme n’est mesuré, mais qu’il est toujours présent. Le problème du magnétisme à l’intérieur d’un composant est qu’avec le temps, il peut magnétiser son environnement, ce qui le fait s’échapper à nouveau. Si le composant est maintenant découpé, les lignes de champ autonomes peuvent s’échapper à la surface de coupe, ce qui rend le composant magnétique. Il est donc recommandé de ne pas se fier exclusivement aux mesures effectuées à la surface. Il est conseillé de démagnétiser en principe avec une méthode de démagnétisation appropriée qui contrôle magnétiquement les composants par contrôle de processus. C’est la seule façon de garantir en fin de compte une qualité élevée des produits.

Un souhait fréquemment exprimé dans la production industrielle : au lieu de déterminer le magnétisme au moyen d’échantillons aléatoires mesurés manuellement, de nombreuses entreprises souhaiteraient disposer d’une procédure automatisée permettant de déterminer facilement la qualité de l’ensemble de la production. Cependant, en raison de sa nature, le magnétisme résiduel de pôle fin ne peut être déterminé qu’en balayant manuellement la surface du composant. Pour certaines applications, il peut être possible d’utiliser des capteurs très sensibles qui peuvent distinguer les composants démagnétisés et non démagnétisés sur une plus grande distance. De tels capteurs de champ magnétique très sensibles existent sur le marché, par exemple le A-Test LT. Toutefois, étant donné que ces dispositifs ne conviennent qu’à certaines applications, il convient de clarifier au préalable si un tel système peut être utilisé ou non.

Pour détecter le magnétisme résiduel sur les composants, il est important d’utiliser un appareil de mesure approprié. En particulier dans le cas de champs magnétiques limités dans l’espace ou de magnétisme résiduel à pôles fins, il faut veiller à ce que la distance entre la sonde de mesure et la surface du composant soit faible.

Un instrument de mesure optimal présente les caractéristiques suivantes :

• affichage numérique de la valeur mesurée avec une résolution de 0.1 A/cm, 0.01 mT ou 0.1 Gauss et avec une faible dérive
• une fonction permettant de conserver automatiquement les valeurs mesurées les plus élevées, couplée à un taux d’échantillonnage rapide pour déterminer la valeur maximale mesurée ; avantage : la possibilité de stocker les deux pôles (pôle nord et pôle sud)
• un capteur à effet Hall facilement reconnaissable, de sorte qu’un positionnement exact sur la surface du composant peut être effectué
• très utile : une LED combinée avec le capteur Hall, qui réagit même à de faibles champs magnétiques résiduels (< 2 A/cm) (ne pas négliger les zones à champ magnétique potentiel ; possibilité de balayer de plus près un champ magnétique ainsi détecté)
• la distance la plus proche possible entre le capteur Hall installé dans l’appareil de mesure et la surface (sinon il y a un risque que la valeur du magnétisme soit affichée trop faible ou pas de valeur du tout)

Voici les caractéristiques d’une sonde adaptée:

• Distance de la zone d’effet Hall à la surface du composant : ~ 0,5 mm
• pas de collecteur de flux magnétique
• sonde mécaniquement stable
• positionnable avec précision
• réponse rapide aux champs magnétiques

Des procédures non définies, un appareil de mesure non défini ou inadapté, l’influence d’un champ ambiant pendant la mesure : ces facteurs sont responsables de mesures imprécises du magnétisme résiduel. Les résultats sont très variables, imprécis et difficiles à reproduire.

Afin d’obtenir des mesures reproductibles du magnétisme résiduel, les deux points supplémentaires suivants jouent un rôle important:

1. Environnement de mesure:
   • La mesure ne doit être effectuée que dans des conditions de blindage magnétique, de préférence dans une chambre de Gauss zéro.
   • La mesure dans le champ magnétique terrestre n’est autorisée que pour les valeurs limites > 10 A/cm ou pour les composants de grandes dimensions. Afin d’obtenir des résultats de mesure aussi reproductibles que possible, les composants doivent toujours être alignés de la même manière, de préférence dans une direction est-ouest.
2. Méthodologie de recherche:
   • Le magnétisme résiduel à la surface du composant doit être balayé sur toute la surface avec la sonde. Les mesures ponctuelles ne sont pas ou peu significatives.
   • L’opérateur a une grande influence sur le résultat de la mesure, l’idéal serait d’utiliser du personnel formé.

Nous recommandons que la méthodologie de mesure et le matériel de mesure utilisé soient consignés par écrit.

Le champ magnétique de la terre a une intensité moyenne de ~ 0,03 à 0,06 mT. La direction des lignes de champ est essentiellement parallèle à l’axe nord-sud en plein air, en Europe centrale avec une inclinaison d’environ 45° par rapport à la surface de la terre.

Dans les pièces où se trouvent de grandes machines, le champ magnétique terrestre peut également être déformé en direction et en intensité par les structures ferromagnétiques environnantes.

Un composant ferromagnétique attire les lignes de champ des champs magnétiques environnants. L’intensité des champs magnétiques induits dépend de la perméabilité du matériau, de la géométrie, de la taille et de l’orientation du composant dans le champ environnant. Si, par exemple, une composante est positionnée dans la direction des lignes de champ du champ magnétique terrestre, celles-ci sont induites dans la composante, et l’aimantation de la composante peut être augmentée plusieurs fois par rapport au champ environnant. En effet, un composant en fer et en acier a une conductivité 700 à 5000 fois supérieure à celle de l’air, et l’aimantation du composant est augmentée en conséquence (ou réduite si la direction du champ est opposée).

Si la même composante est placée à angle droit par rapport aux lignes de champ du champ magnétique terrestre, des intensités de champ nettement plus faibles sont induites (voir la figure ci-dessous).

Idéalement, les composants sont mesurés dans un environnement presque sans champ.
Idéalement, les composants sont mesurés dans un environnement presque sans champ. Les champs induits se propagent de manière très différente dans la composante et empêchent ainsi une mesure exacte.
La perméabilité initiale d’un matériau ferromagnétique peut être très élevée, de sorte qu’une réduction de moitié du champ ambiant peut déjà signifier une réduction de 5 fois le champ induit. En conséquence, un facteur de blindage de 5 est déjà plus que suffisant pour une mesure reproductible.

Le blindage peut être réalisé au moyen d’une chambre à gaz zéro – une chambre de blindage passif avec des parois en matériau hautement perméable. Cependant, il est également possible d’utiliser une chambre de Helmholtz active, dont les côtés sont constitués de bobines qui font que le champ magnétique terrestre à l’intérieur déplace les champs magnétiques homogènes au moyen de champs opposés générés par des bobines alimentées électriquement. La chambre de Helmholtz est particulièrement adaptée aux composants de grande taille.

Une autre façon de déterminer l’aimantation d’un composant est de mesurer le moment magnétique. Ici, le moment magnétique n’est pas mesuré directement, mais le champ magnétique sortant du composant ; celui-ci doit être mesuré à une distance définie et dans chaque axe. Le moment magnétique peut alors être calculé à l’aide de formules.

Les applications dans l’aérospatiale et la recherche, en particulier, utilisent souvent le moment magnétique pour déterminer la magnétisation. Les composants des satellites doivent être inspectés en détail, car même le plus léger magnétisme résiduel peut influencer l’équipement de mesure du satellite.

Pour une détermination précise du moment magnétique, les champs magnétiques entourant le composant doivent être mesurés dans la gamme nT. Pour éviter les erreurs de mesure, le champ environnant doit être maintenu stable pendant toute la durée de la mesure. Si la mesure est effectuée dans un bâtiment qui n’est pas spécialement blindé, un véhicule automobile passant à moins de 100 mètres du composant peut influencer le résultat de la mesure à tel point que le résultat de la mesure devient inutilisable. Les mesures précises du couple magnétique sont donc souvent effectuées dans des endroits éloignés, loin des influences extérieures de la civilisation.