Controlli non distruttivi

Esame di Stato

Controlli non distruttivi dei materiali

Metallici:

Metodo ultrasonico

1. Generalità

2. Generazione degli ultrasuoni

2.1 Sonde

2.1.1 Accoppiamento ultrasonico

3. Fisica degli ultrasuoni

3.1 Tipi di onde

3.2 Riflessione, rifrazione e diffusione

3.3 Parametri fondamentali

4. Schema generale di funzionamento degli apparecchi ad ultrasuoni

5. Parametri che influenzano il rilevamento dei difetti

6. Tecniche d'esame

7. Vantaggi e svantaggi

Piscopo Gabriele esame di Stato

1. Generalità

L’esame ultrasonico dei metalli è impiegato principalmente per il rilevamento dei difetti presenti all’interno del pezzo da controllare. Questo esame può essere applicato alla maggior parte dei metalli e delle leghe di interesse tecnologico.

I difetti che possono essere rivelati comprendono:

• Vuoti;
• Cricche;
• Inclusioni;
• Soffiature;
• Cavità di ritiro.

Detto esame sfrutta il fenomeno della riflessione degli ultrasuoni da parte dei difetti all’interno dei pezzi.

Gli ultrasuoni sono vibrazioni meccaniche che si propagano in un mezzo elastico con frequenza superiore a 16 KHz. Concettualmente non esiste alcuna differenza tra suoni e ultrasuoni; si chiamano con nomi diversi per l’udibilità o meno da parte dell’orecchio umano il quale percepisce vibrazioni con frequenza variabile da 20 a 16000 Hz.

I suddetti difetti sono rilevabili quando le loro dimensioni sono tali che l’onda ultrasonica che li investe ne possa essere in parte riflessa. Ne consegue che il campo delle frequenze usate negli apparecchi per gli esami non distruttivi varia da 0,3 a 25 MHz perché, a frequenze inferiori, le onde sonore hanno una lunghezza d’onda troppo superiore alle dimensioni dei difetti critici per il materiale, per cui rischiano di aggirare il difetto senza incontrarlo e quindi senza rilevarlo.

L’esame con ultrasuoni ha un campo di applicazione molto vasto per i seguenti motivi:

• Sensibilità elevata;
• Rapidità d’esame;
• Valutazione nei pezzi di difetti in superficie e in profondità;
• Gli apparecchi usati sono maneggevoli e non ingombranti;
• Costi degli apparecchi limitati e costi d’esercizio modesti;
• Nessun pericolo per l’operatore.

2. Generazione degli ultrasuoni

Le tecniche impiegate per la generazione degli ultrasuoni con la frequenza necessaria per l’esecuzione dei controlli non distruttivi si basano sostanzialmente su una particolare proprietà, denominata "piezoelettricità", posseduta da determinate sostanze cristalline, quali il quarzo, il titanato di bario ed il solfato di litio.

Tali materiali, infatti, tagliati in lamelle secondo le direzioni rispondenti alle caratteristiche cristallografiche, dispongono delle seguenti proprietà:

• Sottoponendo a compressione e trazione le facce opposte dei cristalli piezoelettrici, si ha la generazione di cariche elettriche di polarità opposta, a seconda che le sollecitazioni sono di compressione o di trazione;
• Applicando sulle facce opposte della sorgente piezoelettrica delle cariche elettriche, si producono fenomeni di contrazione e di dilatazione delle lamelle medesime.

Sfruttando dette proprietà è possibile sia produrre gli ultrasuoni sia captarli.

2.1 Sonde

Le placchette piezoelettriche di quarzo hanno dimensioni da qualche millimetro a 30 mm. Il contenitore della placchetta piezoelettrica, detta "sonda" o "trasduttore", è costituito dalla suddetta placchetta con le due facce opposte argentate e collegate elettricamente con il generatore di d.d.p. (differenza di potenziale).

La faccia della placchetta piezoelettrica che è posta a contatto del pezzo da esaminare non è scoperta ma viene protetta con una sottile lamina di alluminio o di rame o di materiale plastico.

In figura sotto è rappresentata una sonda o trasduttore.

Il trasduttore viene accoppiato opportunamente al pezzo da esaminare in modo da trasmettere in esso le vibrazioni ultrasoniche; data l’elasticità dei materiali, le molecole che compongono il pezzo si metteranno a vibrare attorno alla loro posizione di equilibrio trasmettendo così queste vibrazioni a tutto il pezzo in esame.

Esistono vari tipi di sonde che vanno scelte in base alle caratteristiche geometriche (spessore, curvatura, ecc.) e fisiche (natura del materiale, struttura cristallina, trattamenti subiti, ecc.) del materiale in esame ed in base alla natura, alla disposizione ed al valore minimo della discontinuità che si vuole rilevare.

Gli elementi che maggiormente influenzano la scelta delle sonde sono:

• Frequenza: le frequenze elevate consentono una maggior risoluzione e selettività di controllo, in quanto le dimensioni minime di una discontinuità riflettente devono essere dell’ordine di un quarto della lunghezza d’onda US indotta nel materiale. Per contro, tanto maggiore è la frequenza, tanto maggiore è l’attenuazione subita dagli ultrasuoni nel materiale in esame;
• Dimensioni: le dimensioni geometriche del trasduttore influenzano l’apertura del fascio di ultrasuoni emessi. Un trasduttore con elemento piezoelettrico di maggiori dimensioni consente l’esplorazione di una maggior parte dell’elemento sotto controllo. Poiché l’energia applicata al trasduttore resta pressoché costante al variare delle dimensioni dello stesso, la densità di energia ultrasonica, nella zona prossima o cilindrica del fascio, sarà inferiore in un trasduttore di grandi dimensioni e quindi uno stesso difetto fornisce una riflessione più debole se esplorato con un trasduttore di maggiore area emittente.
• Angolo d’emissione: l’angolo indicato sulla sonda è quello compreso tra la normale alla superficie di contatto della sonda e la direzione di propagazione del fascio ultrasonico nell’acciaio. Il criterio di scelta di tale angolo è determinato da motivi inerenti alla geometria del pezzo e del tipo di onde che si vogliono instaurare nel pezzo in esame (longitudinale, trasversale o superficiale).
• Zona morta: quando un’unica sonda agisce sia da trasmettitore che da ricevitore, è intuitivo come l’apparecchio non sia in grado di separare l’eventuale segnale di riflessione prima che sia terminata l’emissione dell’impulso ultrasonico. Ciò determina la cosiddetta zona morta del trasduttore che è tanto maggiore quanto più bassa è la sua frequenza di funzionamento.

Detta zona morta può risultare aumentata dalle riflessioni che si generano nel passaggio degli ultrasuoni dal trasduttore al pezzo in esame, in misura tanto maggiore quanto più la superficie di contatto è irregolare.

2.1.1 Accoppiamento ultrasonico

Effettuando il controllo con gli ultrasuoni, oltre a quanto considerato, bisogna sempre tenere in considerazione l’accoppiamento tra il trasduttore ed il pezzo in esame.

Poiché gli ultrasuoni vengono fortemente attenuati dall’aria, occorre sempre interporre un mezzo di accoppiamento fluido tra trasduttore e parte in esame, realizzando il cosiddetto accoppiamento ultrasonico. Tale mezzo fluido è normalmente costituito da acqua, acqua emulsionata, soluzione acquosa di carbossilmetilcellulosa, nafta e oli minerali in genere con viscosità variabile secondo l’impiego, grasso, fluidi speciali per l’impiego ad alte temperature, ecc.

Finché il mezzo d’accoppiamento mantiene spessori inferiori ad un ventesimo della lunghezza d’onda degli ultrasuoni in esso propagantesi, nessuna sensibile perturbazione viene apportata alla propagazione degli ultrasuoni stessi.