UT - Tradizionale

IL CONTROLLO AD ULTRASUONI
L'ispezione mediante ultrasuoni è un metodo non distruttivo in cui onde sonore ad alta frequenza sono introdotte nel materiale da esaminare, allo scopo di evidenziare difetti superficiali o interni, misurare lo spessore dei materiali, misurare la distanza e la dimensione delle difettosità.

Onde ultrasonore
La tecnica si basa essenzialmente sul fenomeno della trasmissione di un'onda acustica nel materiale. Gli ultrasuoni sono onde elastiche vibrazionali con  frequenza compresa tra 1 e 10 MHz (per certe applicazioni il campo si può estendere dai  20 KHz  fino ad oltre 200 MHz).
Le onde ultrasonore sono generate sfruttando le proprietà piezoelettriche di alcuni materiali; queste proprietà consistono nella capacità di questi materiali di contrarsi e riespandersi quando sottoposti all'azione di un campo elettrico alternato. Se il campo elettrico alternato possiede adatta frequenza, le vibrazioni del materiale producono onde elastiche di frequenza ultrasonora. Il fenomeno è reversibile: in altre parole lo stesso materiale capace di emettere ultrasuoni, può generare un segnale elettrico se investito da un fascio d'onde elastiche.

Onde e materiale
Le onde ultrasonore possono essere di tipo trasversale e di tipo longitudinale ed hanno una capacità di penetrazione nel materiale che è inversamente proporzionale alla loro frequenza. Naturalmente la capacità dipenetrazione dipende anche dalle caratteristiche intrinseche del materiale che deve essere attraversato in particolare la principale caratteristica del mezzo che devono attraversare, è l'impedenza acustica "Z" definita come il prodotto della sua densità "R" per la velocità di propagazione dell'onda nel mezzo.

Le onde ultrasonore posso essere inviate nel materiale da esaminare ed in esso si propagheranno con la stessa frequenza del generatore e con una velocità che dipende dal materiale attraversato.
Il fascio ultrasonoro in uscita dal trasduttore è caratterizzato dalla sua forma geometrica (dimensioni e campo) mentre il segnale ultrasonoro in ricezione (riflesso o trasmesso) è caratterizzato da due parametri fondamentali:
  • ampiezza "a" ovvero il valore di picco dell'impulso mostrato sullo schermo dello strumento in una rappresentazione detta A-scan
  • tempo di volo "t"  ovvero il tempo intercorso tra l'impulso di trasmesso e quello ricevuto; sullo schermo dell'apparecchio tale tempo è indicato dalla distanza tra i due impulsi. Il tempo di volo fornisce la misura indiretta del percorso "l" effettuato dall'onda ultrasonora nel mezzo.
In altre parole il segnale di partenza degli ultrasuoni (chiamato "eco di partenza") e quello riflesso dalla superficie opposta a quella d'entrata (chiamato "eco di fondo"), vengono visualizzati sullo schermo dello strumento con dei picchi, la cui distanza risulta proporzionale al tempo che gli ultrasuoni impiegano per percorrere il viaggio di andata e di ritorno dalla sonda alla superficie riflettente presente all'interno del materiale.
Se durante tale percorso il fascio ultrasonoro incontra delle discontinuità sarà riflesso, assorbito, deviato o diffratto secondo le leggi comuni a tutti i fenomeni di propagazione delle onde e sullo schermo, tra i due precedenti picchi (eco di partenza ed eco di fondo),  ne compariranno altri che rappresentano delle indicazioni relative al tipo di discontinuità incontrate.

Localizzazione e dimensionamento dei difetti
L'energia assorbita dal difetto colpito dalle onde incidenti fa sì che esso possa vibrare emettendo a sua volta onde elastiche di frequenza tipica della sua risonanza e variamente sfasate. Dunque il segnale che ritorna verso il trasduttore è molto complesso, perché è la risultante della sommatoria di molte onde di uguale frequenza, ma sfasate, e di altre onde di frequenza diversa, pure sfasate fra loro. Tale segnale contiene tutte le informazioni sulle dimensioni, geometria e natura dell'ostacolo incontrato dal fascio d'ultrasuoni incidenti.
La localizzazione ed il dimensionamento dei difetti avviene generalmente attraverso un processo di correlazione tra le caratteristiche del fascio ultrasonoro, le caratteristiche fisiche e geometriche del materiale, i parametri "a" (ampiezza) e "t" (tempo di volo) precedentemente descritti e le coordinate della traiettoria di scansione.
I risultati dell'ispezione vengono spesso mostrati in forma di restituzione grafica C-scan (rappresentazione in pianta) e B-scan (rappresentazione in profondità).
APPLICAZIONI
Ecco alcuni dei principali tipi di componenti che sono usualmente controllati con il metodo ultrasonoro per la ricerca di eventuali difettosità:
  • componenti laminati; rulli, alberi, azionamenti, colonne delle presse
  • Apparecchiatura di potenza: pezzi fucinati della turbina, rotori del generatore, condutture in pressione, insiemi di parti saldate, recipienti in pressione, componenti di reattori
  • Componenti di velivoli
  • Materiali per macchine
  • Particolari ferroviari
  • Parti automobilistiche
In definitiva il controllo ad ultrasuoni è un mezzo rapido, efficace ed economico per il controllo volumetrico di strutture e componenti sia di forma semplice che complessa.
Schema di sonda pianaSchema di sonda piana
Schema di sonda piana
Sonde per ultrasuoni
La generazione e la rilevazione delle onde ultrasonore è effettuata per mezzo di un elemento trasduttore. Questo elemento è contenuto all'interno della cosiddetta sonda. L'elemento "attivo" nella sonda è il cristallo piezoelettrico. La piezoelettricità (o pressione elettrica) è una proprietà caratteristica di alcuni cristalli naturali e di alcuni materiali costruiti artificialmente.
Come dice il nome stesso, in un cristallo piezoelettrico è in grado di sviluppare una carica elettrica quando sottoposto a deformazione. Al contrario, quando il cristallo viene sottoposto ad un campo elettrico, si deforma (cambia forma).
I materiali più comunemente utilizzati per nelle sonde per ultrasuoni sono il quarzo, il solfato di litio, alcuni ceramici polarizzati, tipo il bario titanato, il piombo zirconato titanato, meta-niobato di piombo, ecc.
Le sonde possono avere diverse forme e dimensioni. Esistono comunque quattro tipi "base" di sonda:
  • sonda piana
  • sonda angolata
  • sonda doppia
  • sonda ad immersione 
Mezzi di accoppiamento
Per ottenere un buon accoppiamento tra la sonda ed il materiale da esaminare è necessario eliminare l'aria che vi si interpone, cosa che viene ottenuta mediante l'utilizzo di un mezzo di accoppiamento da interporre tra la sonda e la superficie da esaminare. Il mezzo di accoppiamento deve avere buone caratteristiche di bagnabilità, ed una buona trasparenza agli ultrasuoni.
Il mezzo di accoppiamento deve essere scelto in modo da non danneggiare la superficie del particolare.
In base all'esigenza tale mezzo può essere scelto tra:
  • olio tipo SAE  30
  • gel per ultrasuoni
  • acqua
  • glicerina
E' importante usare lo stesso mezzo di accoppiamento sia per la taratura della macchina che durante il controllo.
PERDITE DI TRASFERIMENTO
Prima di eseguire il controllo, si deve verificare che non ci siano perdite di trasferimento della sensibilità tra il blocco usato per la taratura ed il particolare da esaminare.
Nel caso in cui si rileva una perdita durante il trasferimento, bisogna aggiungere dei decibel in modo tale da ottenere la stessa sensibilità durante il controllo.
Nel caso in cui i decibel di correzione sono superiori a 6dB, il controllo non può essere eseguito.

TECNICA D'ESPLORAZIONE
Generale

Per una maggiore velocità e sensibilità durante il controllo si devono aggiungere 6dB all'amplificazione corretta; nel momento in cui si rilevano dei difetti, per la valutazione degli stessi, i 6dB aggiunti in precedenza, devono essere tolti.
Tipici difetti rilevabili con controllo UT
Rilevazione dei difetti
Ecco come possono essere visualizzati alcuni difetti tipici:
B - porosità da gas
C - inclusione di scoria
D - cricca

Controllo del particolare
Il controllo del particolare deve essere effettuato in modo tale da poter individuare tutti i possibili difetti diversamente orientati.

Dimensionamento dei difetti
Per il dimensionamento dei difetti, si deve fare riferimento a fori a fondo piatto o intagli eseguiti su blocchi campione, oppure alle curve AVG costruite per ciascun trasduttore.

DIFFICOLTA' NELL'APPLICAZIONE DEL METODO UT
Pur trattandosi di un metodo di controllo molto efficace, non è certo esente da difficoltà di applicazione.

Caratteristiche del materiale
La possibilità di verificare l'integrità strutturale di un componente dipende fondamentalmente dalle caratteristiche fisico-chimiche e metallurgiche del materiale e dal tipo di discontinuità ricercate.
L'opacità dei materiali (denominata anche "non trasparenza") agli ultrasuoni, è un effetto legato prevalentemente alle caratteristiche morfologiche della struttura del materiale ed è particolarmente evidente nelle saldature di acciaio austenitico, nei materiali fusi, nei materiali compositi e nei materiali ceramici di notevole spessore.
In particolare, per i materiali metallici esso dipende dalla grandezza e dall'orientamento dei grani in relazione alla lunghezza d'onda del fascio ultrasonoro. In linea generale, nelle ispezioni di materiali non molto trasparenti vengono utilizzate basse frequenze allo scopo di lavorare con un rapporto favorevole "lunghezza d'onda"/"dimensione dei grani"; tuttavia ci sono casi in cui tale accorgimento non risulta applicabile come ad esempio quando si debbano rilevare difetti molto piccoli. In altri casi l'opacità locale o generale del materiale in esame può deformare il fascio ultrasonoro e disperdere la sua energia iniziale.

Zona morta
Il problema del rilevamento di un difetto è legato anche all'influenza dell'impulso e del fascio ultrasonoro; in questo caso particolare importanza assumono le caratteristiche dell'apparecchiatura utilizzata (es. durata dell'impulso di trasmissione) e quelle del trasduttore ( es. caratteristiche generali del fascio).
La corretta interpretazione dell'eco di un difetto richiede una sufficiente separazione, sulla base dei tempi dello schermo, tra l'impulso dell'onda riflessa e quello dell'onda trasmessa, o comunque tra l'eco di prima interfaccia e l'eco proveniente da una discontinuità.
Poichè la durata dell'impulso emesso dalla sonda non può essere inferiore ad un certo valore minimo, ne consegue che utilizzando un trasduttore di comune applicazione (normale o angolato) non è possibile rilevare un difetto la cui posizione sia localizzata in prossimità della superficie del componente. In altre parole esiste una "zona morta" più o meno estesa, in cui i due impulsi risultano sovrapposti.

Geometria del particolare da controllare
Una delle maggiori difficoltà di applicazione di questo metodo di analisi non distruttiva deriva da particolari geometrie del componente in esame che non risultano accessibili all'ispezione ultrasonora.
Basti pensare ad esempio alla difficoltà di eseguire il controllo di gomiti o valvole su impianti realizzati senza prevedere sufficienti spazi per la manovra delle sonde; molte volte però tali difficoltà sono determinate dalle dimensioni e dalla natura del materiale, nonchè dalla complessità costruttiva del componente.
Anche l'eccessiva rugosità della superficie di scansione nelle ispezioni a contatto o casi in cui non è possibile utilizzare dei mezzi di accoppiamento perché alterano il materiale in esame, costituisce una seria limitazione all'applicazione del metodo ultrasonoro.

Qualifica dell'operatore
L'interpretazione delle indicazioni fornite da un esame ultrasonoro necessita di operatori altamente qualificati e, allo stesso tempo, di notevole esperienza. Infatti, la sola qualificazione del personale, soprattutto nel caso di controllo di particolari complessi o di sicurezza, non è sufficiente a garantire la corretta interpretazione dei segnali rilevati sull'oscilloscopio: l'esperienza del tecnico è fondamentale.

VANTAGGI
I principali vantaggi forniti dal controllo ultrasuoni rispetto agli altri metodi di controllo non distruttivo riguardano:
  • maggior potere di penetrazione nel mezzo, cosa che consente di rilevare anche discontinuità che si trovano all'interno del materiale. Il controllo del materiale può essere fatto anche a diversi metri di profondità, per esempio nel controllo assiale di alberi d'acciaio molto lunghi o in pezzi fucinati;
  • elevata sensibilità che permette di rilevare discontinuità molto piccole
  • miglior precisione nella determinazione della posizione dei difetti interni, nella valutazione della loro forma ed orientamento
  • è sufficiente che una sola superficie del particolare sia accessibile
  • è un controllo elettronico che fornisce immediatamente il rilievo dei difetti. Questo rende il metodo adatto all'automazione, al controllo rapido, al controllo in linea
  • consente il controllo volumetrico del pezzo dalla superficie superiore a quella inferiore
  • il metodo non presenta pericoli di radiazioni e non ha alcun effetto secondario sul personale e su altre apparecchiature poste nelle vicinanze
  • è facilmente trasportabile
SVANTAGGI
Gli svantaggi del controllo ultrasonoro includono:
  • Le operazioni richiedono grande attenzione ed esperienza del personale
  • La definizione delle procedure di controllo richiede competenze tecniche
  • Particolari con superficie con elevata rugosità o molto piccoli o sottili o non omogenei vengono controllati con grande difficoltà
  • Discontinuità presenti nello strato immediatamente al di sotto della superficie possono sfuggire al controllo
  • Occorre impiegare mezzi d'accoppiamento per facilitare la trasmissione degli ultrasuoni dal trasduttore al materiale da controllare
  • Sono richiesti dei campioni di riferimento, tanto per la calibrazione dell'apparecchiatura che per la caratterizzazione dei difetti
NORME DI RIFERIMENTO PER I CONTROLLI CON ULTRASUONI

UNI EN 583-1:2004
Prove non distruttive - Esame ad ultrasuoni - Parte 1: Principi generali

UNI EN 583-2:2004
Prove non distruttive - Esami ad ultrasuoni - Parte 2: Regolazione della sensibilità e dell'intervallo di misurazione della base dei tempi

UNI EN 583-3:1998
Prove non distruttive - Esame ad ultrasuoni - Tecnica per trasmissione

UNI EN 583-4:2004
Prove non distruttive - Esame ad ultrasuoni - Parte 4: Esame delle discontinuità perpendicolari alla superficie

UNI EN 583-5:2004
Prove non distruttive - Esame ad ultrasuoni - Parte 5: Caratterizzazione e dimensionamento delle discontinuità

UNI EN 12223:2001
Prove non distruttive - Esame ad ultrasuoni - Specifica per blocco di taratura N° 1.

UNI EN 27963:1994
Saldature in acciaio. Blocco di riferimento N° 2 per il controllo mediante ultrasuoni delle saldature.

UNI EN 9712:2012
Prove non distruttive - Qualificazione e certificazione del personale addetto alle prove non distruttive - Principi generali.
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