ULTRASUONI Applicazioni per ricerca difetti / misura spessori / corrosioni

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1 ULTRASUONI BREVE CORSO PER RICERCA DIFETTI NEI MATERIALI E NELLE SALDATURE CON STRUMENTI AD ULTRASUONI Applicazioni per ricerca difetti / misura spessori / corrosioni Zanè 13 Novembre 2000 UNA COLLABORAZIONE ARROWELD AZIENDA DISTRIBUTRICE STRESSTEL IN ITALIA

2 INDICE INTRODUZIONE AGLI ULTRASUONI...3 ACCENNI T EORICI... 3 LIQUIDO DI ACCOPPIAMENTO...3 VELOCITÀ...4 MATERIALI...4 MATERIALI SOVRAPPOSTI... 4 SONDE...5 SINGOLE O DOPPIE... 5 DIMENSIONI... 5 FREQUENZA... 5 ANGOLATE... 5 TIPI DI CONTROLLI CON GLI ULTRASUONI... 6 MISURA DI SPESSORE... 6 MISURA DI SPESSORE SU PARTI VERNICIATE... 6 RICERCA DIFETTI (STRUMENTO FLAWMIKE)... 7 APPLICAZIONI RICERCA DIFETTI...8 CONTROLLI GENERICI... 8 CONTROLLI SALDATURE... 8 TARATURA DELLO STRUMENTO...10 APPLICABILITÀ DEGLI ULTRASUONI...11 PUNTI DI FORZA DEL FLAWMIKE...11 CORSI

3 Introduzione agli Ultrasuoni ACCENNI TEORICI Gli strumenti a ultrasuoni sfruttano il principio di riflessione di segnali immessi all interno di un materiale. L immissione e la riflessione sono effettuate da un sensore, o sonda, posta sul materiale collegata allo strumento mediante un cavetto. Il presupposto quindi per questo tipo di strumenti è che vi sia una superficie riflettente parallela a quella dove si appoggia la sonda. FIG. 1 riflessione del segnale FIG. 2 vari tipi di segnali riflessi LIQUIDO DI ACCOPPIAMENTO E necessario mettere del liquido di accoppiamento tra la sonda e la superficie del materiale, in maniera da ottenere un ottimo appoggio e un buon segnale di ritorno. I liquidi più usati sono olio, gel, acqua. Si usa acqua su superfici lisce e su spessori non elevati. Negli altri casi olio o gel, quest ultimo preferito in quanto non sporca, pur essendo più costoso. 3

4 VELOCITÀ Gli strumenti ad ultrasuoni sono utilizzati per misurare uno spessore o per ricercare difetti all interno dei materiali. In entrambi i casi viene impostata o rilevata una velocità degli ultrasuoni, cioè il tempo che il segnale impiega a percorrere il pezzo e a ritornare in superficie. Questo dato varia da materiale a materiale, di seguito riportiamo una tabella di massima con le velocità degli ultrasuoni relativa ai materiali più comuni. Questo dato è fondamentale per una corretta misura e impostazione dello strumento. MM/ S MM/ S ACCIAIO 5.9 NEOPREME 1.6 ALLUMINIO 6.3 NICHEL 5.6 ARGENTO 3.6 NYLON 2.6 BERILLIO 12.9 PIOMBO 2.2 CADMIO 2.8 PLATINO 4.0 DIAMANTE 17.5 PLEXIGLASS 2.7 FENOLO 1.4 POLIETILENE 1.9 GHISA 4.5 POLISTIRENE 2.4 GOMMA BUTIL. 1.9 POLIURETANO 1.9 GOMMA VULCAN. 2.3 PORCELLANA 5.6 INCONEL 5.7 RAME 4.7 ORO 3.2 STAGNO 3.3 OTTONE 4.4 TITANIO 5.9 M AGNESIO 5.8 TUNGSTENO 5.4 M ANGANESE 4.7 VETRO 6.8 M OLIBDENO 6.3 ZINCO 4.2 M ONEL 5.4 MATERIALI Con questa tecnica, è possibile effettuare misure/controlli su tutti i materiali attraversabili dagli ultrasuoni che sono più o meno gli stessi riportati nella precedente tabella, tenendo presente che un materiale più è compatto internamente più da dei buoni risultati con gli ultrasuoni. MATERIALI SOVRAPPOSTI I segnali immessi nei materiali rimbalzano sulla parete opposta e ritornano in superficie. Se il materiale dove si posa la sonda è appoggiato su altri materiali, la risposta del segnale non viene minimamente modificata, salvo si tratti di materiali saldati. In altre parole i materiali sottostanti al primo non sono presi in considerazione. 4

5 SONDE Singole o doppie Esistono svariati tipi di sonde per le varie applicazioni. Per strumenti ricerca difetti normalmente si usano sonde singole (trasmettitore e ricevitore su un unico cristallo e quindi con un unico cavo) Per applicazioni su superfici molto rugose, o verniciate, o in presenza di corrosione si utilizzano sonde doppie. FIG. 3 sonda singola FIG. 4 sonda doppia Dimensioni Le dimensioni delle sonde devono essere commisurate al controllo da effettuare. I diametri normalmente usati vanno da 1/8 fino a 1 2. Sonda piccola più risoluta ma meno potente, sonda grossa più potente ma meno risoluta. Frequenza Un altro elemento importante per la scelta di una sonda è la frequenza. Il campo di utilizzo va dai 500 KHz ai 20 MHz. Le alte frequenze (sopra i 10 MHz) sono per misure di spessori sottili, le medie frequenze per misure standard, le basse frequenze per misure di materiali di difficile penetrazione, per es. ghisa o altro. E bene, tenere presente che le sonde con bassa frequenza sono più potenti ma meno sensibili, quelle ad alta frequenza sono più sensibili ma meno potenti. Angolate Per controlli su saldature vengono utilizzate sonde angolate per penetrare sul fianco della saldatura in maniera diretta o di rimbalzo (vedi applicazioni). 5

6 Tipi di controlli con gli Ultrasuoni MISURA DI SPESSORE I tradizionali spessimetri a ultrasuoni danno un indicazione numerica dello spessore del materiale. Modelli T-MIKE P - B - E - ES EL per materiali standard Modelli TM1-Dplus TM1-CD TM1-CDL per bassi spessori MISURA DI SPESSORE SU PARTI VERNICIATE Talvolta misurando con strumenti a ultrasuoni su materiali verniciati si hanno letture a display completamente errate. A questo scopo viene utilizzato uno strumento dotato di indicazione numerica e di A-SCAN (indicatore della forma d onda degli ultrasuoni), in grado di eliminare l eco di disturbo dato dalla vernice. Lo strumento si chiama T-SCOPE III che nella sua nuova versione ha anche la funzione di B-SCAN (rappresentazione in sezione del materiale effettuata mediante scansione sullo stesso), funzione molto utile per parti corrose. C003 CLR 1.25 C003 CLR MM 10 FIG. 5 Esempio di lettura falsata da eco di disturbo della vernice 0 MM 10 FIG. 6 Inserimento di Gate per eliminazione di disturbo superficiale 6

7 RICERCA DIFETTI (STRUMENTO FLAWMIKE) La ricerca di difetti nei materiali ad ultrasuoni rappresenta una delle tecniche più usate per questo scopo, in alternativa vengono usate tecniche molto più complesse e costose come il controllo a raggi X o il sezionamento. Gli strumenti a ultrasuoni sono dotati di schermo per la visualizzazione dei picchi di trasmissione e di ricezione del materiale in esame. Appoggiando una sonda su un pezzo integro si ottengono uno o più echi di ritorno del materiale come indicato in figura mm eco di trasmissione FIG. 7 riflessione senza difetto eco di ritorno sonda pezzo in esame In presenza di un difetto nel materiale oltre agli echi sopra descritti si ottiene un eco intermedio a distanza dall eco di trasmissione esattamente proporzionale alla profondità del difetto (vedi fig. 8) FIG. 8 riflessione con difetto eco di trasmissione sonda pezzo in esame eco di ritorno eco difetto 7

8 E possibile quindi, tarando opportunamente la scala dello schermo dello strumento, determinare esattamente la profondità del difetto, valutandone anche l entità in funzione dell ampiezza del picco ricevuto. Applicazioni ricerca difetti I controlli più comuni per la ricerca di difetti con gli ultrasuoni sono: saldature, delaminazioni, sfogliature, inclusioni, integrità materiali, ecc CONTROLLI GENERICI Per tutti i controlli (salvo controlli su saldature) vengono utilizzate sonde dritte singole o doppie. Per casi in cui l utilizzo sia frequente s impiegano sonde con base d appoggio intercambiabile da sostituire una volta usurata. Se i controlli sono effettuati su vasta scala s impiegano dei carrellini sui quali sono installati sia la sonda che il circuito di irrorazione del liquido di accoppiamento, per permettere un controllo veloce e preciso. Talvolta sui materiali molto porosi, viene adottata la tecnica di valutazione dell eco di fondo che consiste nel far scorrere la sonda sul materiale e vedere l ampiezza verticale del picco di ritorno. Più compatto è il materiale, più alto sarà il picco di ritorno. CONTROLLI SALDATURE Le verifiche su saldature normalmente sono effettuate agendo di fianco alle stesse, data l irregolarità della loro superficie. S impiegano pertanto sonde angolate che immettono il fascio ad ultrasuoni nel materiale con una certa inclinazione rispetto alla direzione verticale. Questo permette ai segnali di colpire eventuali difetti agendo in diagonale oppure di rimbalzare sul fondo del materiale, colpire la saldatura dal basso verso l alto e ritornare incontrando eventuali difetti (vedi figura 9). FIG. 9 ispezione saldatura 8

9 Per verificare l intera saldatura (coprendone tutto lo spessore) si procede a zig-zag come indicato in fig. 10 FIG. 10 metodo di controllo saldatura a zig-zag In assenza di difetti non si avrà nessun eco di ritorno ma solamente quello di trasmissione. Se un difetto è rilevato durante la scansione si avrà una rappresentazione come indicata in figura 11 eco di trasmissione eco difetto FIG. 11 riflessione difetto saldatura Impostando nello strumento lo spessore del materiale e l angolo della sonda che si sta utilizzando, saranno indicate automaticamente a display la distanza tra la sonda e il difetto in superficie (c) e in diagonale (s) e la sua profondità (a) (vedi fig. 9). La valutazione dell altezza del picco è una chiara indicazione dell entità del difetto. N.B. per riuscire ad avere una buona valutazione del controllo è bene operare su materiali di spessore superiore ai 5 mm. 9

10 TARATURA DELLO STRUMENTO Per effettuare la taratura dello strumento per una determinata sonda per un determinato controllo è bene farlo su un pezzo campione con caratteristiche simili al controllo da eseguire poi in campo. In assenza di questo vi sono 2 blocchi di verifica riconosciuti a livello mondiale per la verifica/taratura di sonde dritte, angolate, impiegati anche per verificare l angolo e il centro fascio di queste ultime. Il più piccolo IIW (V2) più semplice e il più grosso IIW (V1) più completo. FIG. 12 blocco IIW (V2) FIG. 13 blocco IIW (V1) 10

11 Applicabilità degli ultrasuoni Quali sono i requisiti che è necessario conoscere per determinare se è possibile effettuare un controllo con gli ultrasuoni - Tipo di materiale da testare - Minimo e massimo spessore - Trattamento superficiale - Tipo di difetti da identificare (se noto) Punti di forza del FlawMIKE Trasportabilità: peso 2,2 Kg batterie incluse, dimensioni 244 x 196 x 53 (importantissimo per chi deve andare a fare controlli in campo). Visione: display ampio e ad alto contrasto per una ottima visione in ambienti bui o in pieno sole. Precisione Utilizzo: tasti suddivisi in gruppi con diversi colori per rendere immediate e facilmente memorizzabili le impostazioni (senza necessità di entrare in complicate sequenze o menù). Affidabilità Qualità/prezzo: rapporto che rende lo strumento leader sul mercato. Corsi Per l utilizzo pratico degli strumenti a ultrasuoni ricerca difetti si possono seguire dei corsi a vari livelli: semplice corso di formazione teorico, pratico e applicativo. corsi riconosciuti secondo normative ASNT di I e II livello tenuti da un ispettore III livello CICPND secondo UNI EN 473 I corsi possono essere tenuti sia presso l azienda richiedente che presso la sede della società organizzatrice. 11