INTRODUZIONE
Abbiamo descritto nel precedente articolo (https://www.delphincontrol.com/pillole-tecniche-controllo-qualita-saldature/) il controllo qualità delle saldature: sono previsti dei controlli indiretti, relativi principalmente all’emissione e verifica di documenti inerenti la qualifica di saldatori, processi di saldatura, materiali, e controlli diretti, i quali prevedono l’applicazione dei controlli non distruttivi (CND) per verificare la presenza di difetti durante la fase di fabbricazioni. Sono anche stati descritti i principali CND di tipo superficiale ovvero esame visivo (VT), liquidi penetranti (PT) e particelle magnetiche (MT).
Nel seguente articolo vengono invece presentate le principali tecniche del controllo a ultrasuoni, un controllo volumetrico capace quindi di individuare difetti presenti all’interno del materiale.
Questo tipo di controllo prevede l’utilizzo di un fascio di onde ultrasonore (frequenze da 0,5 MHz a 5 MHz). Il fascio ultrasonoro propagandosi all’interno del materiale da ispezionare, in prossimità di un’eventuale discontinuità e/o difetto, è soggetto a fenomeni di riflessione, ma anche di diffusione e diffrazione. Questi vengono rilevati dallo strumento fornendo delle indicazioni all’operatore secondo specifiche rappresentazioni, il quale procederà ad interpretare.
Le tecniche utilizzate sono numerose. Negli ultimi anni, grazie al forte progresso dell’elettronica, si stanno sviluppando nuove tecnologie che permettono di avere delle rappresentazioni sempre più intuitive, ma soprattutto di avere il vantaggio di aumentare la POD (Probability of Detection).
In ambito industriale, le tecniche più utilizzate sono:
- Tecnica a Ultrasuoni Tradizionale
- Tecnica Phased Array
- Tecnica TOFD
TECNICA A ULTRASUONI TRADIZIONALE
È storicamente la prima tecnica ad essersi sviluppata. Il fascio ultrasonoro è generato da una sonda in cui è presente un cristallo di tipo piezoelettrico. Una sonda può anche avere due cristalli, uno trasmittente e l’altro ricevente. Il fascio ultrasonoro, propagandosi all’interno del pezzo, in corrispondenza di un difetto e/o discontinuità, viene riflesso e, se il difetto è orientato in maniera opportuna, il fascio ultrasonoro torna indietro venendo rilevato dalla sonda e dalla strumentazione. La rappresentazione più utilizzata è l’A-Scan, la quale permette di rappresentare una riflessione tramite un eco (immagine a destra).
Nell’ambito del controllo delle saldature, le norme di riferimento sono la ISO 17640 nella quale vengono indicate le tecniche e i livelli di prova e di valutazione, la ISO 11666 in cui vengono indicati i livelli di accettabilità e la ISO 23279 in cui viene indicato come caratterizzare una discontinuità.
In particolare, le norme prevedono il controllo di tutto il volume di prova (saldatura e zona termicamente alterata) secondo differenti livelli di prova che vanno da A a C, secondo un ordine crescente di rilevazione dei difetti. Un livello di prova più restrittivo prevede generalmente controlli da più posizioni e con un numero maggiore di angoli della sonda, in modo da aumentare appunto la probabilità di rilevare il difetto. È presente anche un livello di prova D, utilizzato solamente per applicazioni speciali.
I criteri di accettazione o scarto si basano sulla lunghezza del difetto e sul confronto fra l’ampiezza dell’eco del difetto e l’ampiezza di un eco di un difetto artificiale. Per questo motivo la calibrazione della sensibilità prevede la generazione di una curva DAC (o anche DGS) di riferimento. Vengono quindi definiti dei livelli di valutazione, registrazione e accettazione.
È prevista inoltre una correlazione tra i livelli di qualità (ISO 5817), livelli di prova (ISO 17640) e i livelli di accettazione (11666).
| LIVELLI DI PROVAa (ISO 17640) |
LIVELLI DI QUALITA’ (ISO 5817) |
LIVELLI DI ACCETTAZIONE (ISO 11666) |
| B | B | 2 |
| A | C | 3 |
| A | D | 3b |
| Note: a se viene richiesta la caratterizzazione delle discontinuità, deve essere applicata la ISO 23279 b gli UT non vengono generalmente usati per questo livello di qualità. |
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Il controllo ad ultrasuoni tradizionale risulta essere un metodo consolidato e ad oggi ancora molto diffuso a livello industriale. È sicuramente anche il più economico se paragonato alle tecnologie più recenti. Tuttavia, risulta essere un controllo molto dipendente dalla capacità e interpretazione dell’operatore, in molti casi prevede l’utilizzo di numerose sonde e scansioni per effettuare un controllo affidabile e generalmente non vi è la possibilità di registrare le scansioni.
TECNICA PHASED ARRAY
Questa tecnica si basa sull’utilizzo di sonde costituite da numerosi cristalli piezoelettrici, ognuno dei quali si comporta come una sorgente puntiforme di onde ultrasonore. Ogni cristallo può essere controllato in maniera indipendente. Applicando opportuni ritardi nell’eccitazione di un cristallo rispetto ad un altro, si possono definire differenti leggi focali che permettono di:
- Effettuare una scansione elettronica, ovvero ispezionare più porzioni di materiale senza movimentare la sonda;
- Angolare il fascio secondo diversi valori;
- Focalizzare il fascio a profondità diverse;
La rappresentazione tipica della tecnologia Phased Array è la S-Scan (immagine a destra), utilizzabile quando si utilizza un range di angoli (per esempio da 40° a 70°) e si ha quindi una vista in sezione settoriale, codificata secondo una scala di colori le cui informazioni sono ottenute da ogni singolo passo angolare del cono di apertura del fascio ultrasonoro.
I principali vantaggi sono quindi la rapidità di esecuzione grazie alla scansione elettronica, aumento della POD, la possibilità di migliorare il dimensionamento dei difetti grazie alla focalizzazione dinamica e alla possibilità di utilizzare più angoli, facilità di interpretazione grazie alle numerose tipologie di rappresentazioni disponibili. Gli svantaggi sono invece costi maggiori, personale qualificato e in alcuni casi risulta complicato trovare dei riferimenti normativi.
Nell’ambito del controllo delle saldature, le norme di riferimento sono la ISO 13588 per quanto riguarda tecniche e livelli di prova e la ISO 19285 per quanto riguarda i livelli di accettazione. Queste norme sono in realtà molto simili a quelle del controllo tradizionale. Anche in questo caso sono previsti 4 livelli di prova mentre si hanno 3 livelli di accettazione. Nella seguente tabella la correlazione tra ISO 5817, ISO 13588 e ISO 19285.
| Livello di qualità ISO 5817 |
Livello di prova ISO 13588 |
Livello di accettazione ISO 19285 |
| C, D | A | 3 |
| B | B | 2 |
| Da accordi | C | 1 |
| Applicazioni speciali | D | Da accordi |
| NOTE I criteri di accettazione per il livello 1 sono definiti solamente in base alla lunghezza e all’altezza. |
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I criteri di accettazione anche in questo caso si basano sulla lunghezza e ampiezza del difetto in riferimento ad un difetto campione, ma è previsto anche un criterio basato solamente su lunghezza e altezza del difetto. Con la tecnica Phased Array è infatti possibile sfruttare meglio il fenomeno della diffrazione che si ha in corrispondenza del tip di una cricca e dimensionare meglio l’altezza (immagine a destra).
Per quanto riguarda l’esecuzione del controllo, se si dimostra di poter coprire l’intero volume di prova, è possibile eseguire una singola scansione in direzione parallela alla saldatura ad una posizione fissa, da entrambi i lati. Se non è possibile coprire l’intero volume di prova, occorre effettuare più scansioni a distanze diverse.
Da qui si evince il vantaggio di non dover effettuare diverse ispezioni da numerose posizioni e con diversi angoli di rifrazione, come necessario per il controllo tradizionale, risparmiando quindi tempo.
TECNICA TOFD
Questa tecnica è diversa dalle due precedenti (tradizionale e Phased Array). Mentre le prime due si basano sulla riflessione del fascio ultrasonoro, con la tecnica TOFD (Time of Flight Diffraction) la rilevazione avviene sfruttando il fenomeno di diffrazione agli apici della cricca e/o lungo le pareti cilindriche di un foro o di un difetto volumetrico.
Il principio di funzionamento è illustrato nella figura a sinistra. Secondo una configurazione pitch and catch (una sonda emette e l’altra riceve), si utilizzano sonde di piccole dimensioni, elevate frequenze e ad onde longitudinali per generare onde alta divergenza. Il segnale che si riceve è caratterizzato da una Lateral Wave (LW), due echi prodotti dagli apici della cricca (eco 1 e 2) un eco di fondo LL (eco 3). Il segnale è rappresentato secondo una configurazione B-Scan in scala di grigi e in radiofrequenza (figura sotto).
La scansione con la tecnica TOFD, in maniera analoga al Phased Array, avviene in direzione parallela alla saldatura. Quando si hanno spessori elevati (>30-40 mm), con una singola configurazione TOFD non è possibile coprire tutto il volume di prova. In questo caso si utilizza una configurazione capace di ispezionare diverse profondità, utilizzando più sonde con angoli diversi.
Questa tecnica ha il notevole vantaggio di rilevare i difetti a prescindere dal loro orientamento e dalla loro natura. Per questo motivo è la tecnica ad ultrasuoni con il più elevato indice di POD. È comunque caratterizzata da alcuni limiti: l’utilizzo di frequenze elevate limita l’applicazione a materiali con bassa attenuazione (carbon steel e leghe basso legate), è necessario l’accesso da entrami i lati della saldatura, si hanno della zone d’ombra in prossimità della superficie (profondità fino a 4-8 mm) e in prossimità del fondo. Per questo motivo la scansione TOFD è sempre accompagnata da una scansione Phased Array e non è applicabile per spessori inferiori ai 10 mm.
Le norme di riferimento per il controllo TOFD delle saldature sono la ISO 10863 che introduce la tecnica, la ISO 15626 per i livelli di accettabilità, ISO 16828 metodo di rilevamento e dimensionamento delle discontinuità.
La calibrazione della tecnica TOFD non prevede la generazione di una curva DAC, tipica delle tecniche basate sulla riflessione e sull’ampiezza dell’eco. La calibrazione TOFD prevede invece l’utilizzo di blocchi campione con difetti artificiali posizionati a diverse profondità, con lo scopo di valutare l’intensità dei toni di grigio dell’immagine e definire il volume di prova coperto dal set-up di scansione. La calibrazione si ritiene corretta se è presente un contrasto sufficiente da rendere accurata la misurazione dei parametri di lunghezza e di altezza.
Per quanto riguarda i criteri di accettabilità, questi si basano sulle dimensioni del difetto, in particolare per quanto riguarda l’altezza e la lunghezza.
CONCLUSIONI
Si sono viste le principali tecniche ad ultrasuoni utilizzate per il controllo delle saldature. Il mondo industriale richiede sempre di più controlli ad ultrasuoni che siano rapidi, affidabili e cost-effective.
Il controllo tradizionale risulta essere consolidato ed economico, ma presenta numerosi svantaggi rispetto alle tecnologie più recenti: non è possibile registrare le scansioni, le norme prevedono numerose scansioni con diversi angoli per avere un controllo affidabile determinando un aumento dei tempi, rimane un controllo molto dipendente dalla capacità e dall’interpretazione dell’operatore.
La tecnica Phased Array supera i limiti del controllo tradizionale aumentando l’indice POD grazie alla possibilità di utilizzare la focalizzazione elettronica e un range di angoli. Prevede comunque dei costi maggiori, personale altamente qualificato e la configurazione della strumentazione può risultare complicata.
La tecnica TOFD, sfruttando in fenomeno della diffrazione, è quella che permette di rilevare qualsiasi tipo di difetto a prescindere dall’orientazione e natura. Il controllo tradizionale e il Phased Array faticano a trovare difetti trasversali. È comunque caratterizzato da delle zone d’ombra e l’interpretazione del segnale è complicata.
Per sfruttare al meglio le potenzialità offerte dal controllo ad ultrasuoni, quando è possibile integrare la tecnica Phased Array e TOFD è la scelta migliore per massimizzare la probabilità di rilevare i difetti.