CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione.

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1 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 1 Ultrasuoni Onde elastiche vibrazionali con frequenza compresa tra 1 e 20 MHz ( in alcuni casi fino ad oltre 200 MHz). Tecnica basata sul fenomeno della trasmissione e dell’assorbimento di un'onda acustica sia dal materiale che da parte di eventuali difetti. Controllo con Ultrasuoni Onde sonore ad alta frequenza (>20kHz udibile) introdotte nel pezzo Rilevazione di difetti superficiali o interni, distanza e dimensione delle difettosità.

2 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 2 Applicazioni Componenti metallici. Saldature, brasature ed incollaggi. Misura degli spessori Controllo con Ultrasuoni Difetti Vuoti Cricche Inclusioni Soffiature Porosità Cavità da ritiro Delaminazioni Apparecchiatura Gen impulsi Trasd piez (imp el in vibraz mecc) Trasd piez ricev (vibraz mecc in imp el)

3 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 3 La propagazione degli ultrasuoni nei materiali Le onde ultrasonore sono variazioni brusche di pressione che si propagano all’interno del materiale, di tipo trasversale o longitudinale Controllo con Ultrasuoni: principio di base La velocità dipende da come si propagano le onde La capacità di penetrazione nel materiale dipende dal materiale mediante l'impedenza acustica: “Z” = ρVs Vs = velocità del suono;  = densità del materiale; ed, in maniera inversa, mediante la frequenza.

4 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 4 Attenuazione dell’onda (assorbimento) Controllo con Ultrasuoni: principio di base I 0 = intensità iniziale del segnale I x = intensità del segnale alla profondità x k = coefficiente di assorbimento (dipende da materiale e frequenza) x = profondità Profondità x Assorbimento I0I0 Diminuzione di frequenza Frequenza troppo elevata aumenta la sensibilità ma anche l’assorbimento

5 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 5 Dimensioni rilevabili dei difetti Un difetto o una discontinuità sono rilevabili quando le loro dimensioni sono tali che l’onda ultrasonica che li investe ne possa essere in parte riflessa le sue dimensioni trasversali rispetto al fascio ultrasonoro devono essere maggiori di λ/4 Controllo con Ultrasuoni: principio di base L Scelta appropriata della sonda Difficoltà a rilevare piccoli difetti V = vel del suono; f = frequenza del fascio

6 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 6 La propagazione degli ultrasuoni : interferenza coi difetti La quantità di energia riflessa dipende dal rapporto delle impedenze acustiche dei due mezzi Controllo con Ultrasuoni: principio di base Sonda trasmittente Sonda ricevente Acqua - alluminio r = 0.67 Acqua - acciaior = 0.87 Alluminio - ariar = 1 (tot rifless) Acciaio - ariar = 1 r = coeff di riflessione

7 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 7 La propagazione degli ultrasuoni nei materiali: interferenza coi difetti: Controllo con Ultrasuoni: principio di base Sonda trasmittente Sonda ricevente Acqua - acciaior = 0.87 Acciaio - ariar = 1 (rifless tot) Acqua – alluminior = 0.67 Alluminio – ariar = 1

8 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 8 Controllo con Ultrasuoni: principio di base V L Velocità delle onde longitudinali V T Velocità delle onde trasversali V S Velocità delle onde superficiali Z impedenza V L (m/s) V T (m/s) V S (m/s) Z (10 6 g/cm 2 ·s)

9 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 9 La generazione e la rilevazione delle onde ultrasonore è effettuata per mezzo di un elemento trasduttore contenuto all'interno della sonda. Le sonde possono avere diverse forme e dimensioni. Controllo con Ultrasuoni: Le sonde Per ottenere un buon accoppiamento tra la sonda ed il materiale da esaminare è necessario l'utilizzo di un mezzo di accoppiamento da interporre tra la sonda e la superficie da esaminare.

10 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 10 Tecnica per trasmissione due trasduttori sulle due superfici opposte del pezzo da esaminare: emettitore e ricevitore. Controllo con Ultrasuoni Se il fascio ultrasonoro generato dal primo trasduttore incontra una discontinuità sul suo percorso viene parzialmente riflesso e il fascio trasmesso risulta perciò indebolito. Non individua né la profondità né la forma della discontinuità.

11 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 11 Sonde sulla stessa superficie del pezzo. Difetto individuato se l’energia trasmessa viene riflessa prima di raggiungere la superficie opposta (picco intermedio) Controllo con Ultrasuoni In entrambi i casi la riduzione del segnale, rilevata dalla sonda ricevente, rappresenta l'indicazione di discontinuità. Dal valore di tale riduzione è possibile risalire al diametro equivalente della discontinuità. Individua la profondità dalla posizione del picco (in %), il tipo e le dimensioni dall’ampiezza e forma del picco. Tecnica per riflessione

12 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 12 Controllo con Ultrasuoni Tecnica per riflessione classica ad impulsi Il primo eco rappresenta l'impulso di eccitazione inviati dal trasduttore; il secondo eco corrisponde al ritorno su trasduttore del segnale riflesso dal fondo. Se nel percorso all'interno del pezzo vengono incontrate piccole discontinuità, le loro riflessioni verranno rappresentate sullo schermo con l'apparizione di echi posizionati all'interno dei primi due. Ovviamente si osserverà anche una riduzioni dell'altezza dell'eco di fondo.

13 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 13 p Controllo con Ultrasuoni Tecnica per riflessione classica ad impulsi Oltre a considerare la riduzione dell'ampiezza dell'eco di fondo si considera anche l'ampiezza dell'eco delle discontinuità, la sua posizione sulla base tempi e alla sua forma. Tali dati forniscono informazioni rispettivamente su diametro equivalente, sulla profondità e sulla forma della discontinuità. Sonda trasmittente/ ricevente d

14 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 14 Geometria del particolare da controllare Particolari geometrie del componente che non permettono di effettuare l’analisi (superfici curve, zone chiuse, gomiti, difficoltà a muovere la sonda) 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 Controllo con Ultrasuoni: difficoltà nell’indagine

15 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 15  Elevato potere di penetrazione nel mezzo e possibilità di rilevare discontinuità interne.  Consente il controllo volumetrico del pezzo dalla superficie superiore a quella inferiore.  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.  É sufficiente che una sola superficie del particolare sia accessibile.  É un controllo elettronico abbastanza rapido ed adatto all'automazione.  Il metodo non presenta pericoli di radiazioni e non ha alcun effetto secondario sul personale e su altre apparecchiature poste nelle vicinanze.  Facilmente trasportabile. Vantaggi del controllo ultrasonoro

16 CND: Ultrasuoni Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e della Produzione Università di Napoli “Federico II” Tecnologia dei materiali e sistemi di lavorazione 16  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. Svantaggi del controllo ultrasonoro