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CAPITOLO 13

CONTROLLI NON DISTRUTTIVI

13.1 INTRODUZIONE

I controlli non distruttivi (CND) permettono di individuare la presenza di alterazioni

nei pezzi, senza pregiudicare la funzionalit del manufatto.

Innanzi tutto, bisogna sottolineare il corretto significato dei termini alterazione e

difetto.

Alterazione una qualsiasi mancanza dintegrit del pezzo (cricca, porosit,

inclusione solida, ecc.); difetto unalterazione di dimensioni superiori a limiti

imposti dalle norme od in fase di progettazione della struttura sottoposta a controllo.

Nella descrizione delle tecniche di controllo non distruttivo risulta, quindi, pi

corretto utilizzare il termine alterazione, per identificare loggetto del controllo, in

quanto non si entra nel merito delle dimensioni rilevate.

Quando si effettua un controllo, invece, importante poter determinare con

precisione le dimensioni di quanto viene rilevato, in modo da poterlo classificare

alterazione (quindi accettabile) o difetto. In questultimo caso, la resistenza del pezzo

risulta compromessa e ci ne determina lo scarto o rende necessario procedere a

riparazioni (rimozione della zona in cui presente il difetto e successivo ripristino

della geometria del pezzo, ad esempio mediante saldatura di riempimento).

Altro aspetto da sottolineare il fatto che la validit di un controllo influenzata da

diversi fattori, quali:

la scelta del tipo di controllo, che deve essere adeguato ad effettuare lanalisi

del manufatto (ad esempio non si otterr alcuna indicazione se si effettua un

controllo magnetoscopico su un pezzo in lega dalluminio, in quanto materiale

non magnetizzabile. Lassenza di indicazioni non assicura che non vi siano

alterazioni);

la scelta delle modalit esecutive, con la conseguente stesura delle relative

procedure;

ladeguatezza della strumentazione, che deve essere certificata e tarata;

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il rispetto delle indicazioni riguardanti la preparazione dei pezzi da ispezionare

(ad esempio, la mancata rimozione del grasso dalla superficie di pezzi da

sottoporre a controllo con liquidi penetranti pu impedire la rilevazione di

unalterazione);

lesperienza del personale.

I CND devono essere effettuati da personale qualificato, ossia che abbia ricevuto un

opportuno addestramento e che abbia maturato una sufficiente esperienza

professionale. Inoltre, il personale addetto ai CND deve avere una condizione fisica

che lo renda adatto ad eseguire correttamente i controlli (ad esempio, adeguata acuit

visiva).

La corrispondenza a questi requisiti viene verificata mediante appositi esami e

controlli e loperatore che li supera ottiene una certificazione (specifica per il tipo di

controllo per cui ha sostenuto lesame).

In Italia, la certificazione del personale addetto ai CND regolamentata dalla norma

UNI EN 473 ed nominativa; in America, invece, la certificazione di propriet del

datore di lavoro e quindi loperatore perde la certificazione se cambia azienda.

Per ogni tipo di controllo, si possono ottenere tre livelli di certificazione:

livello 1: abilita ad effettuare operazioni di controllo, seguendo istruzioni

scritte redatte da un livello 2;

livello 2: abilita a redigere le istruzioni per i livelli 1 ed i resoconti di prova

relativi ai controlli eseguiti dai livelli 1;

livello 3: abilita a dirigere tutte le attivit di controllo a cui riferita a

certificazione.

I controlli non distruttivi possono essere effettuati durante la costruzione del

manufatto e/o durante lesercizio dello stesso.

I controlli durante la costruzione sono finalizzati ad assicurare che le discontinuit

presenti nel componente siano tali da soddisfare i limiti di accettabilit previsti a

progetto.

Le ispezioni effettuate in esercizio hanno lo scopo di definire lo stato di un

componente durante lutilizzo ed il suo grado di affidabilit. In tal modo, si pu

intervenire sul componente prima che il danno abbia provocato effetti irreparabili.

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Per poter eseguire correttamente un controllo, loperatore deve conoscere la tipologia

di manufatto che sta esaminando (laminato, forgiato, estruso, lavorato di macchina,

saldato, ecc.), il materiale con cui realizzato il pezzo (compreso lo stato di fornitura:

bonificato, temprato, invecchiato, ecc.) e le condizioni di esercizio (sollecitazioni,

temperature e composizione dei fluidi che vengono a contatto con il manufatto in

esame).

Le tipologie di CND possono essere cos suddivise:

indagini difettoscopiche: individuano, posizionano e dimensionano

discontinuit sia interne sia superficiali, aventi caratteristiche sia

bidimensionali (cricche) sia tridimensionali (porosit, scorie).

A questa categoria di controlli appartengono gli esami visivi, quelli con liquidi

penetranti, magnetoscopici, radiografici, ultrasonori e con correnti indotte, i

controlli basati sulle emissioni acustiche, sulla rilevazione di fughe e la

termografia;

indagini strutturali: individuano alterazioni della struttura metallurgica del

manufatto. Si utilizzano microscopi, in modo da esaminare in dettaglio la

struttura del materiale;

indagini di tipo dimensionale: verificano il rispetto delle tolleranze di progetto

e permettono di rilevare alterazioni dimensionali (riduzioni di spessore dovute

a corrosione, erosione, ecc.). I rilievi vengono effettuati con calibri, micrometri

oppure, quando la misurazione diretta non possibile a causa

dellinaccessibilit del pezzo da entrambe le parti, mediante luso di

ultrasuoni.

Nellambito del presente testo, verranno descritte solamente le indagini

difettoscopiche.

Per scegliere il controllo appropriato alla specifica situazione, bisogna conoscere le

differenze esistenti tra le diverse tipologie di indagine.

In relazione alla posizione dellalterazione che si deve individuare, si possono

distinguere i metodi superficiali ed i metodi volumetrici.

I metodi superficiali (ossia quelli che sono solo in grado di rilevare la presenza di

alterazioni affioranti in superficie o presenti poco sotto la stessa) sono:

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lesame visivo;

il controllo magnetoscopico;

i liquidi penetranti;

le correnti indotte.

I metodi volumetrici (ossia quelli che consentono di evidenziare alterazioni presenti

sia sulla superficie sia nel volume del manufatto) sono:

lesame radiografico;

lesame ultrasonoro;

la termografia;

la rilevazione di fughe;

lemissione acustica.

Lunico metodo che in grado di caratterizzare unalterazione in modo completo

(tipologia, dimensioni, posizione) il controllo ultrasonoro.

Prima di effettuare qualsiasi tipo di controllo, si esegue unispezione visiva dei pezzi.

Nel prossimo paragrafo, saranno quindi date alcune indicazioni sulla strumentazione

che si deve utilizzare e sui criteri che si devono seguire per effettuare questa indagine,

soprattutto nei casi in cui la zona da controllare non sia facilmente accessibile.

327

13.2 CONTROLLO VISIVO

Il controllo visivo serve per verificare la presenza di difettosit grossolane, quali la

mancanza di un bullone in una struttura bullonata, e soprattutto il grado di

ossidazione di una superficie (in modo da stabilirne la causa e verificarne la

pericolosit).

Dato che il colore degli ossidi dipende dalla sostanza che li ha generati (ad esempio il

rame crea ossidi verdi, lossido di ferro rosso e lossidazione in condizioni di

scarsit di ossigeno nera), di fondamentale importanza eseguire il controllo visivo

in condizioni standardizzate di illuminazione.

Lilluminazione pu essere definita mediante due grandezze: la temperatura colore

ed il grado di illuminamento. La temperatura colore di una sorgente, espressa in

Kelvin, indica in termini numerici il colore apparente di una sorgente luminosa. La

luce del sole ha una temperatura colore di 3200 K e quindi, per non alterare la

percezione del colore rispetto a quanto risulta durante un controllo effettuato in

esterno, necessario che le lampade utilizzate, nel caso si effettuino controlli con

luce artificiale, abbiano questa stessa temperatura colore.

Il grado di illuminamento, che si misura in lux, dato dal rapporto tra il flusso

luminoso emesso da una sorgente e la superficie dell'oggetto illuminato. Il grado di

illuminamento per lesecuzione del controllo visivo deve essere almeno pari a 300

lux.

13.2.1 Tipologie di strumentazione

Nel caso si debba ispezionare la superficie esterna di un pezzo, lesame visivo viene

effettuato semplicemente ad occhio nudo, od utilizzando una lente con fattore

dingrandimento al massimo pari a 5X.

Se si devono ispezionare le superfici interne di un pezzo cavo (ad esempio di una

valvola, di un recipiente o di un tubo), lesame visivo viene definito remoto e lo

strumento normalmente utilizzato lendoscopio.

Un endoscopio composto da:

un sistema di illuminazione;

un sistema di visione.

A seconda del sistema di illuminazione utilizzato, si distinguono:

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gli endoscopi a luce calda;

gli endoscopi a luce fredda.

13.2.1.1 Endoscopi a luce calda

In questi strumenti, la luce viene generata e diffusa da una lampadina, alimentata da

corrente continua a bassa tensione, posta in prossimit dellobiettivo, ossia

sullestremit della sonda pi vicina alla superficie da osservare (zona chiamata

distale o distal end).

Questo tipo di endoscopi presenta i seguenti inconvenienti:

non possono essere inseriti in aperture di dimensioni inferiori al diametro della

lampadina;

non possibile controllare la zona posta proprio davanti alla lampadina; si pu

solo avere una sorta di visione panoramica, dato che la sorgente luminosa

posta di fronte alla lente dellobiettivo;

durante lispezione, la lampadina si scalda e quindi pericoloso utilizzare

questo tipo di strumentazione in presenza di liquidi o vapori infiammabili;

se la sonda viene immersa in liquidi, si pu avere corto circuito;

la regolazione dellintensit luminosa, quando prevista, comporta una

variazione delle caratteristiche cromatiche della luce prodotta (ingiallimento),

dato che ottenuta variando la tensione di alimentazione della lampadina:

lingiallimento della luce altera la percezione del colore della superfici in

esame;

la sorgente luminosa fragile: le eventuali rotture comportano la formazione

di frammenti di vetro difficilmente estraibili dalla cavit.

Per questi motivi, gli endoscopi a luce calda non sono quasi pi utilizzati.

13.2.1.2 Endoscopi a luce fredda

In questi strumenti, la sorgente luminosa collocata allesterno dellendoscopio, in

un contenitore portatile chiamato fonte luminosa (light source).

Nel contenitore alloggiato anche il circuito dalimentazione, una ventola di

raffreddamento ed un meccanismo che agisce su di un diaframma regolabile,

collocato davanti alla lampadina. Lilluminazione della zona da ispezionare viene,

quindi, regolata agendo sullapertura del diaframma e non sulla tensione di

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alimentazione della lampadina: la temperatura colore della luce emessa viene

mantenuta costante.

La luce viene condotta dalla sorgente fino allimpugnatura dellendoscopio tramite un

cavo portaluce (light guide cable) costituito da fibre ottiche, sottilissimi fili di vetro

(diametro pari a 10 - 15 m) che possono seguire percorsi anche molto tortuosi, data

la loro elevata flessibilit.

A seconda del sistema utilizzato per trasportare la luce dallimpugnatura fino alla

zona distale, in fase sia di illuminazione sia di visione, gli endoscopi a luce fredda

possono essere suddivisi in due tipologie:

i boroscopi;

i fibroscopi.

Boroscopi

I boroscopi sono strumenti ottici costituiti da una sonda rigida e rettilinea. Il diametro

pu essere al minimo pari a 1,2 mm, mentre la lunghezza pu raggiungere i 2 metri

(in tal caso il diametro non pu essere inferiore a 8 mm).

Il sistema di trasporto della luce allinterno dellendoscopio composto da gruppi di

lenti.

Prismi ottici, montati in prossimit della zona distale, consentono lilluminazione e la

visione in direzioni oblique.

In fase di visione, limmagine focalizzata da una lente posta sullestremit distale

deve raggiungere un oculare posto allestremit opposta dellendoscopio.

Sulloculare, possibile montare una telecamera collegata ad un monitor.

Fibroscopi

I fibroscopi sono costituiti da una sonda flessibile, che permette quindi laccesso in

cavit di geometria complessa, con andamento non necessariamente rettilineo. Il

diametro minimo della sonda pari a 0,8 mm.

La flessibilit della sonda dovuta al fatto che il sistema di trasposto della luce al suo

interno costituito da fibre ottiche.

Alcuni modelli di fibroscopi prevedono la possibilit di orientare la parte distale della

sonda, agendo su tiranti azionati da comandi posti sullimpugnatura.

Anche in questo caso, possibile collegare lendoscopio ad un monitor.

13.3 CONTROLLO CON LIQUIDI PENETRANTI (UNI EN 571-1)

Lesame con liquidi penetranti un metodo di controllo non distruttivo che permette

di rilevare solo discontinuit affioranti in superficie, su pezzi realizzati con qualunque

materiale, anche non metallico, purch non poroso.

La superficie da controllare deve essere accuratamente pulita, in modo da eliminare

grassi, oli, ruggine, vernici od altre sostanze estranee che impedirebbero la

penetrazione del liquido nelle discontinuit superficiali. Anche lacqua pu ostacolare

la corretta penetrazione del liquido e quindi deve essere eliminata mediante accurata

asciugatura del pezzo.

A seconda delle condizioni della superficie da preparare, possono essere impiegati

diversi procedimenti di pulizia quali:

pulizia con acqua, detergenti o solventi;

attacchi chimici;

spazzolatura (fig. 13.1). La sabbiatura non utilizzabile, in quanto lazione

della graniglia potrebbe rendere le alterazioni non pi accessibili.

Fig. 13.1

Per rimuovere grasso, oli ed in genere prodotti di tipo organico sufficiente

impiegare un solvente, come acetone o tricloroetilene. Il metodo di pulizia pi

accurato prevede luso di vapori, ottenuti riscaldando il solvente, che lambiscono la

superficie da pulire. Il contatto con la superficie fredda fa condensare i vapori; la

goccia di condensa aumenta via via di dimensioni fino a che non riesce pi a

contrastare la forza peso e si stacca dalla superficie, trascinando con s lo sporco. Le

gocce cadono nella vasca contenente il solvente e lo sporco si deposita sul fondo,

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mentre il solvente rievapora. In questo modo, la superficie viene sempre lambita da

solvente pulito.

Nel caso di pezzi di grosse dimensioni o di impossibilit di utilizzare vapori, in

quanto non sono disponibili adeguati sistemi di aerazione, la pulizia pu essere

effettuata spruzzando il solvente e rimuovendo lo sporco con uno straccio (fig. 13.2).

Fig. 13.2 Fig. 13.3

In tal caso bisogna per utilizzare panni che non lascino residui, che potrebbero

occludere le alterazioni, e sostituire spesso lo straccio, in modo da non ridepositare lo

sporco appena asportato.

Nel caso di particolari di piccole dimensioni, si pu anche effettuare la pulizia

immergendo il pezzo in una vasca contenente il solvente (fig. 13.3), che per piano

piano verr inquinato dalle sostanze rimosse.

Ruggine ed ossidi in genere richiedono limpiego di attacchi chimici specifici, seguito

da lavaggio con apposito inibitore, per evitare che la sostanza aggressiva vada ad

intaccare la superficie sottostante.

Una volta effettuata la pulizia, bisogna fare attenzione a non toccare il pezzo con le

mani nude, in quanto anche il grasso delle mani costituisce una barriera alla

penetrazione del liquido utilizzato durante il controllo.

Dopo aver preparato il pezzo, si effettua il controllo vero e proprio, secondo le fasi

schematizzate in figura 13.4.

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Applicazione del liquidopenetrante

Rimozione del liquidopenetrante in eccesso

Applicazione del rivelatore

Ispezione

Fig. 13.4

Il liquido penetrante viene applicato sulla superficie da esaminare e lasciato agire in

modo da permetterne la penetrazione nelle discontinuit affioranti.

La scelta del metodo di applicazione (fig. 13.5) dipende da diversi fattori, quali la

dimensione dei pezzi da controllare ed il fatto che il controllo avvenga in cantiere od

in officina.

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Fig. 13.5

Un metodo molto utilizzato, soprattutto in cantiere, lapplicazione a spruzzo. Nel

caso si operi in luoghi chiusi e su superfici estese, necessario predisporre un

adeguato sistema di ventilazione, in modo da evitare uneccessiva concentrazione del

gas prodotto dalla nebulizzazione.

Per il controllo di pezzi relativamente piccoli, il metodo migliore senzaltro quello

per immersione, in quanto garantisce che la superficie venga bagnata in maniera

uniforme. Tale metodo anche particolarmente adatto al controllo in serie, dato che

facilmente automatizzabile.

Infine, su pezzi di grandi dimensioni, si pu effettuare lapplicazione a pennello.

Dopo aver atteso 15 30 minuti, il penetrante in eccesso viene rimosso dalla

superficie, utilizzando un liquido (acqua o solvente) che abbia tensione superficiale

sufficientemente elevata da non poter penetrare nelle discontinuit, fatto che

determinerebbe lasportazione del liquido penetrato.

Successivamente, si applica un mezzo assorbente, il rivelatore, in modo da riportare

in superficie il liquido penetrato nelle alterazioni. 333

Lapplicazione del rivelatore avviene solitamente a spruzzo, in modo da distribuirlo

in maniera uniforme. Il prodotto deve essere spruzzato da una certa distanza, rispetto

alla superficie del pezzo da controllare, in modo da evitare che il getto asporti il

liquido penetrato nelle alterazioni.

Inoltre, lo strato di rivelatore deve essere sottile, specie se si vogliono rilevare

alterazioni di piccole dimensioni, dai quali il penetrante pu emergere con difficolt.

Le alterazioni risulteranno visibili o per contrasto di colore, tra penetrante e

rivelatore, o per fluorescenza del penetrante.

Si deve sottolineare il fatto che il controllo pu dare indicazioni affidabili solo se si

proceduto ad unaccurata pulizia preventiva della superficie e se le condizioni

ambientali sono tali da non far indurire od evaporare il liquido penetrante

(generalmente la temperatura deve essere compresa fra 15 e 50 C).

13.3.1 Principio su cui si basa il controllo

Il controllo con i liquidi penetranti basato sui fenomeni di tensione superficiale e di

salita e discesa capillare.

La tensione superficiale causata dalla forza di coesione fra le molecole.

Un esempio dellinfluenza della tensione superficiale la tendenza di una goccia di

liquido a contrarsi in una sfera.

Quando il liquido entra in contatto con una superficie solida, la forza di coesione

viene contrastata dalla forza di adesione fra le molecole del liquido e quelle della

superficie solida.

Queste forze concorrono alla definizione dellangolo di contatto, , tra liquido e

superficie. Se < 90, si dice che il liquido bagna la superficie; se 90 la

bagnabilit scarsa (fig. 13.6).

Buona bagnabilit Cattiva bagnabilit

Fig. 13.6

334

Un fenomeno strettamente correlato con la capacit di un liquido di bagnare una

superficie quello della salita o della discesa capillare (fig. 13.7).

a b c

Fig. 13.7

Se langolo di contatto tra il liquido e la parete del tubo capillare minore di 90

(cio, se il liquido bagna la parete del tubo), il menisco del liquido nel tubo concavo

ed il liquido sale nel tubo (fig. 13.7-a). Se = 90, non c n salita n discesa

capillare (fig. 13.7-b). Se > 90, il menisco del liquido convesso ed liquido scende

nel tubo (fig. 13.7-c).

Lazione capillare rende possibile linfiltrazione del liquido anche in anfratti presenti

su una superficie disposta sopratesta.

Laltezza alla quale sale il liquido inversamente proporzionale alla densit di

questultimo e direttamente proporzionale alla tensione superficiale del liquido ed alla

pressione atmosferica agente sulla superficie libera del liquido presente allesterno

del tubo.

La viscosit del liquido non influenza laltezza di salita ma fa variare la velocit di

penetrazione.

13.3.2 Tipologie di liquidi penetranti

I liquidi penetranti possono essere classificati in base a:

rimovibilit;

colore.

Secondo la classificazione in base alla rimovibilit, si possono distinguere i seguenti

tipi di liquidi penetranti: 335

336

lavabili con acqua;

rimovibili con solvente;

post-emulsionabili.

La rimovibilit interessa la fase in cui bisogna eliminare, dalla superficie del pezzo in

esame, il liquido penetrante in eccesso, ossia il liquido che stato applicato in zone

dove non erano presenti alterazioni. La sostanza utilizzata per la rimozione deve

avere tensione superficiale superiore a quella del liquido da rimuovere, in modo che

non possa penetrare nelle alterazioni e vanificare il controllo.

I liquidi penetranti rimovibili con acqua sono i pi utilizzati, data la facilit e

leconomicit della rimozione. Trovano applicazione principalmente su superfici

rugose e/o estese ma non possono essere utilizzati su materiali che arrugginiscono a

contatto con lacqua (acciai al carbonio). La rimozione avviene mediante un getto

dacqua agente direttamente sul pezzo, con una pressione di 2 - 3 bar.

I liquidi rimovibili con solventi richiedono, per la loro rimozione, luso di soluzioni a

base di acetone, tricloroetilene o trielina. Il costo dellesame risulta maggiore, rispetto

al caso precedente, e quindi tali liquidi sono utilizzati per ispezionare zone limitate.

Inoltre, lesame deve essere effettuato in ambienti areati od allaperto, data la tossicit

dei solventi. Lasportazione deve avvenire mediante straccio imbevuto con il

solvente, poich lapplicazione diretta del solvente sulla superficie rischierebbe di

eliminare il penetrante anche dalle discontinuit.

I liquidi penetranti post-emulsionabili richiedono, dopo che avvenuta la

penetrazione nelle cavit, lapplicazione di un liquido emulsionante che ne permetta

la successiva rimozione con acqua. Se si fa uso di tali tipi di liquidi, bisogna

rispettare accuratamente il tempo di emulsionatura indicato dal produttore (non si

deve eccedere nel mantenere lemulsionante a contato con il liquido penetrante), in

quanto si potrebbe rischiare di eliminare il liquido anche dallinterno delle

discontinuit.

La classificazione in base al colore permette di suddividere i liquidi penetranti in:

colorati (rossi);

fluorescenti.

La scelta del liquido da utilizzare viene fatta in base ai seguenti aspetti:

luogo dove si effettua il controllo (officina o cantiere);

dimensione delle alterazioni che si intendono rilevare;

finitura superficiale dei pezzi da ispezionare.

Come verr illustrato in seguito, la rilevazione delle alterazioni mediante liquidi

fluorescenti avviene in un ambiente scuro, illuminando il pezzo con luce ultravioletta.

Risulta, quindi, evidente che non quasi mai possibile utilizzare questo tipo di liquidi

se si deve effettuare il controllo in cantiere: lenergia elettrica necessaria per

alimentare la lampada UV pu non essere disponibile ed difficile oscurare la zona

dispezione.

Dal punto di vista della qualit superficiale del pezzo da ispezionare e della

dimensione minima dellalterazione che si intende rilevare, bisogna tenere presente

quanto segue.

Locchio umano in grado di distinguere gli oggetti ed i colori in un ambiente ben

illuminato (visione fotopica). Se lilluminazione scarsa, labilit di distinguere e

percepire le variazioni di colore diminuisce, mentre aumenta labilit di individuare

piccole sorgenti di luce. In questultimo caso si parla di visione scotopica (fig. 13.8).

Fig. 13.8

La capacit di rilevare le indicazioni maggiore quando si tratta di piccole fonti

luminose su fondo scuro, rispetto a quando si ha contrasto di colore in luce diurna.

337

338

Da ci si deduce che alterazioni di piccole dimensioni possono essere pi facilmente

individuate utilizzando liquidi penetranti fluorescenti.

I liquidi penetranti colorati sono invece consigliabili quando si devono esaminare

pezzi con superficie rugosa e le alterazioni da rilevare sono di dimensioni abbastanza

elevate.

Se si utilizzassero liquidi fluorescenti su superfici scabre, si avrebbe una luminosit

diffusa, dovuta allimpossibilit di eliminare totalmente il liquido in eccesso dagli

avvallamenti della rugosit: lindividuazione delle alterazioni risulterebbe difficile.

Quindi, i liquidi penetranti fluorescenti devono essere utilizzati su superfici lisce.

13.3.3 Tipologie di rivelatori

I rivelatori sono caratterizzati da un elevato potere assorbente, in modo da poter

richiamare in superficie il liquido penetrato nelle alterazioni.

Possono essere asciutti, ossia in polvere, oppure liquidi, ossia in soluzione o

sospensione in un liquido che pu essere acqua o solvente.

I primi sono pi economici e vengono generalmente confezionati in barattoli mentre i

secondi sono spesso forniti in bombolette spray, che devono essere agitate prima

delluso per emulsionare la soluzione.

I rivelatori asciutti sono utilizzati su superfici rugose, sulle quali i rivelatori liquidi

potrebbero accumularsi in modo irregolare.

I rivelatori liquidi sono impiegati quando si debba effettuare il controllo in posizioni

disagevoli o su zone limitate, dato il loro costo relativamente elevato.

Quando si usano liquidi penetranti colorati, si devono utilizzare rivelatori bianchi; i

liquidi penetranti fluorescenti sono, invece, utilizzati in abbinamento con rivelatori

trasparenti alla luce visibile e blu-violetti alla luce ultravioletta.

13.3.4 Metodi dispezione

Lispezione della superficie del pezzo deve avvenire dopo 5 - 30 minuti

dallapplicazione del rivelatore, in modo che il liquido penetrato nelle alterazioni

possa avere il tempo di risalire in superficie, assorbito dal rivelatore.

Se si sono utilizzati liquidi penetranti colorati, lispezione avviene alla luce del sole

od alla luce di una lampadina che sia in grado di fornire unilluminazione di almeno

300 lux.

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Le parti sane del pezzo risulteranno bianche (il colore del rivelatore) mentre le

alterazioni appariranno come macchie o linee rosse.

Se si sono utilizzati liquidi penetranti fluorescenti, lispezione deve essere eseguita in

condizioni di oscuramento, in modo che la luce ambiente non renda difficile se non

impossibile rilevare le alterazioni. Il valore massimo di illuminamento deve essere

pari aa 32 lux.

Il pezzo deve essere illuminato con luce ultravioletta, impiegando lampade di Wood:

le parti sane risulteranno blu-violette (il colore del rivelatore illuminato da raggi UV)

mentre le alterazioni risulteranno di colore giallo-verde e brillanti.

La lampada di Wood una lampada a vapori di mercurio, che emette radiazioni sia

nel campo ultravioletto sia nel campo della luce visibile. Un apposito filtro elimina la

quasi totalit della luce visibile (rimane solo una piccola parte di luce violetta,

indispensabile per dirigere il fascio luminoso) e tutta la radiazione ultravioletta di

lunghezza donda inferiore a 3300 (che pericolosa).

Nellutilizzazione di una lampada di Wood bisogna tener conto di alcuni

accorgimenti e precauzioni.

Prima dellutilizzo, bisogna lasciar scaldare la lampada per almeno 5 minuti, in modo

da permettere al mercurio di vaporizzare completamente dentro al bulbo.

La lampada pu subire danneggiamenti a causa di sbalzi di tensione o di frequenti

accensioni e spegnimenti: conviene, perci, lasciare la lampada accesa anche quando

non serve, se si prevede di doverla riutilizzare entro breve tempo.

Il filtro deve essere tenuto sempre in perfetta efficienza, in modo che non lasci

passare la parte dannosa della radiazione.

La superficie della lampada e del filtro devono essere pulite spesso, in quanto la

presenza di sporco impedirebbe il passaggio della radiazione utile e loperatore non

in grado di accorgersi di eventuali anomalie nellemissione: una mancata

illuminazione non permetterebbe di individuare le alterazioni, anche se presenti.

Il controllo con liquidi penetranti non fornisce indicazioni precise sulla profondit

della discontinuit rilevata anche se, in modo qualitativo, la maggior o minor quantit

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di liquido penetrante fuoriuscito, o lintensit della fluorescenza, possono servire a

formulare un giudizio sulla profondit della cavit.

Inoltre, a parit di altre condizioni, il tempo necessario ad unindicazione per

manifestarsi inversamente proporzionale al volume della discontinuit. Pi grande

lalterazione, pi rapidamente il penetrante che vi contenuto sar assorbito dal

rivelatore.

Un altro modo di valutare le dimensioni di unalterazione pu essere la persistenza di

unindicazione. Se essa riappare dopo che il rivelatore stato tolto e riapplicato

(senza riapplicare il penetrante), la discontinuit contiene molto penetrante e quindi

profonda.

Nel caso in cui si sia usato un liquido di colore rosso, possibile ottenere una

documentazione permanente del controllo scattando fotografie od utilizzando

particolari vernici pelanti. In questultimo caso, dopo avere evidenziato le alterazioni

con il rivelatore, si spruzza la vernice e si attende che questa asciughi. Si forma in tal

modo una pellicola facilmente asportabile, sulla quale rimane impressa la forma delle

alterazioni.

13.4 CONTROLLO MAGNETOSCOPICO (UNI EN ISO 9934-1)

Il controllo magnetoscopico fa parte, come il controllo con liquidi penetranti, degli

esami superficiali, in quanto permette la rilevazione delle discontinuit affioranti

sulla superficie esaminata. Tuttavia, tale metodo permette anche di individuare

alterazioni che si trovino poco al di sotto della superficie, nonch le discontinuit

superficiali ostruite da sporcizia o da altre sostanze estranee.

Bisogna ricordare, per, che lesame magnetoscopico d indicazioni solo se effettuato

su materiali ferromagnetici, in quanto possono essere magnetizzati.

Gli acciai inossidabili austenitici, le leghe dalluminio, le leghe di rame e le leghe di

titanio sono materiali non ferromagnetici e, pertanto, non ispezionabili con metodo

magnetoscopico. Gli acciai al carbonio e basso legati sono, invece, ispezionabili.

Lesame magnetoscopico si basa sul principio che le linee di flusso di un campo

magnetico che attraversa un pezzo vengono deviate dalla presenza di discontinuit.

Quando tali discontinuit si trovano in prossimit della superficie, le linee di flusso

deviate fuoriescono parzialmente dal pezzo, creando un flusso disperso (fig. 13.9).

Fig. 13.9

Tale dispersione di flusso pu essere evidenziata cospargendo la superficie del pezzo

con fine polvere di materiale ferromagnetico (rivelatore); essa andr ad accumularsi

in corrispondenza delle deviazioni delle linee di flusso, rendendo visibili le

discontinuit. Lindicazione verr resa pi visibile da unopportuna scelta del colore

del rivelatore, cos da ottimizzare il contrasto con la superficie del pezzo.

Lapplicazione di un campo magnetico di determinata direzione permette

lindividuazione delle discontinuit il pi possibile ortogonali ad esso; ne consegue

341

che, per effettuare un esame completo del pezzo, necessario applicare pi campi

magnetici, diversamente orientati tra loro.

praticamente impossibile ottenere una registrazione permanente dei risultati di un

controllo magnetoscopico, se non fotografando il pezzo.

13.4.1 Metodi di magnetizzazione

Il campo magnetico, necessario per ispezionare il pezzo, pu essere prodotto

impiegando un magnete permanente (calamita), oppure indotto mediante corrente

elettrica.

E noto che un conduttore percorso da corrente genera un campo magnetico le cui

linee di flusso assumono andamenti diversi, a seconda della geometria del conduttore

stesso.

Un conduttore rettilineo, attraversato da corrente elettrica, genera un campo

magnetico circolare (fig. 13.10). Se il conduttore non altro che il pezzo da

ispezionare, le discontinuit rilevabili sono quelle disposte parallelamente rispetto al

flusso di corrente.

Fig. 13.10

Un conduttore percorso da corrente ed avvolto a spirale, in modo da formare un

solenoide, genera un campo magnetico le cui linee di flusso risultano parallele

allasse del solenoide (fig. 13.11). Se allinterno del solenoide viene posizionato il

pezzo da controllare, possibile rilevare le alterazioni disposte circonferenzialmente.

342

Fig. 13.11

La corrente impiegata per generare campi magnetici pu essere di diversi tipi:

continua, alternata o raddrizzata.

La corrente alternata determina un campo magnetico le cui linee di flusso sono

addensate sulla superficie del pezzo (effetto pelle), quindi permette di rilevare

alterazioni poste al massimo a 2 - 3 mm di profondit.

La corrente continua genera campi magnetici che interessano lintero volume del

pezzo ma raramente usata, in quanto sono necessarie intensit elevate, per far

disporre le particelle evidenziatici in corrispondenza delle distorsioni delle linee di

flusso, e ci richiede luso di generatori costosi.

La corrente pi utilizzata per effettuare controlli magnetoscopici quella raddrizzata

a mezzonda, in quanto la sua pulsazione fa vibrare la polvere rilevatrice e rende

facilmente individuabile lalterazione.

Per indurre il campo magnetico nel pezzo da controllare, si possono utilizzare:

due puntali;

un elettromagnete.

I puntali sono generalmente in rame, protetti con cappellotti in piombo per evitare

surriscaldamenti locali della superficie del pezzo in esame.

Il controllo viene eseguito posizionando i puntali, collegati ad un generatore di

tensione, a contatto con la superficie da ispezionare (fig. 13.12). La corrente genera

un campo magnetico di tipo circolare, che permette di individuare discontinuit

parallele alla congiungente i puntali. E pertanto necessario effettuare pi

343

magnetizzazioni, orientando diversamente i puntali, in modo da individuare tutte le

discontinuit, comunque esse siano disposte.

Fig. 13.12

Lelettromagnete, detto anche giogo (fig. 13.13), costituito da un nucleo di ferro

dolce su cui avvolta una bobina di filo elettrico: il campo magnetico, generato dal

passaggio di corrente nella bobina, attraversa il nucleo e viene chiuso sul pezzo in

esame.

Le linee di flusso prodotte dallelettromagnete sono parallele alla congiungente le

espansioni polari, quindi possono essere rilevate le discontinuit disposte

perpendicolarmente alla congiungente i poli.

Anche in questo caso, necessario effettuare pi magnetizzazioni, orientando

lelettromagnete in maniera differente.

Un vantaggio presentato dallelettromagnete, rispetto ai puntali, consiste nel fatto che

il pezzo da ispezionare non viene attraversato da corrente e quindi non subisce

riscaldamenti, che potrebbero alterare la struttura del materiale.

344

Fig. 13.13

13.4.2 Tipologie di rivelatori

In un controllo magnetoscopico, il rivelatore costituito da polvere ferromagnetica

(ossidi di Fe), opportunamente additivata con sostanze colorate o fluorescenti, per

migliorarne il contrasto con la superficie in esame.

I rivelatori di tipo colorato (neri, rossi, blu, ecc.) sono utilizzati quando il controllo

viene effettuato in ambiente illuminato, quelli di tipo fluorescente richiedono

limpiego di una lampada di Wood e di un ambiente oscurato, come gi descritto a

proposito del controllo con liquidi penetranti fluorescenti.

I rivelatori, sia colorati sia fluorescenti, possono essere secchi od in sospensione, in

un solvente od in acqua.

In genere, le polveri secche hanno dimensioni maggiori (50 300 m), rispetto ai

rivelatori in sospensione (5 20 m). Quindi, se si desidera individuare alterazioni

molto piccole, consigliabile utilizzare rivelatori liquidi e di tipo fluorescente.

A volte, il controllo magnetoscopico pu dare indicazioni non corrette: le deviazioni

delle linee di flusso possono essere causate da fattori non imputabili alla presenza di

discontinuit, quali variazioni del profilo del pezzo (spigoli o scanalature) o diversit

di permeabilit magnetica di parti adiacenti realizzate in materiali differenti.

345

Si possono avere false indicazioni anche quando la superficie del pezzo sporca,

bagnata od ha rugosit elevata: il rivelatore non risulta uniformemente distribuito e

gli accumuli vengono interpretati come indicazioni di discontinuit.

13.4.3 Smagnetizzazione finale

Si pu facilmente costatare che un pezzo di materiale ferromagnetico, posto in un

campo magnetico, resta parzialmente magnetizzato anche quando il campo magnetico

viene annullato: si ha un magnetismo residuo, che pu causare problemi. Ad esempio,

qualora il pezzo debba essere sottoposto a lavorazioni per asportazione di truciolo,

questultimo si pu magnetizzare, a contatto con il pezzo, e restare attaccato

allutensile, rendendo difficoltosa la lavorazione. Se si devono eseguire operazioni di

saldatura, larco elettrico pu essere deviato dal campo magnetico residuo,

impedendo la corretta esecuzione della giunzione. In altri casi, un pezzo magnetizzato

non pu essere messo in esercizio in quanto il magnetismo residuo pu disturbare il

corretto funzionamento di apparecchiature elettriche vicine (ad esempio, strumenti di

bordo di navi ed aerei).

Terminato il controllo, quindi necessario prevedere una fase di smagnetizzazione

del pezzo: necessario applicare un campo magnetico di verso contrario, rispetto a

quello che ha provocato la magnetizzazione.

Se il pezzo magnetizzato deve subire trattamenti termici e quindi viene portato a

temperatura superiore alla temperatura di Curie (A2 , nel caso del ferro puro A2= 769

C) del materiale di cui costituito, la smagnetizzazione avviene spontaneamente.

La valutazione della presenza di magnetizzazione residua pu essere effettuata

utilizzando un dispositivo denominato sonda di Hall (fig. 13.14).

Fig. 13.14

346

347

Lo strumento composto da una piastrina metallica alle cui estremit sono disposte

due placchette. In presenza di campo magnetico, tra le placchette si produce una

differenza di potenziale elettrico, proporzionale allintensit del campo.

13.5 CONTROLLO RADIOGRAFICO E GAMMAGRAFICO (UNI EN 444)

I controlli radiografici e gammagrafici sono i pi diffusi metodi di indagine non

distruttiva di tipo volumetrico, ossia in grado di individuare alterazioni presenti sia

sulla superficie sia allinterno di un pezzo.

Tali controlli si basano sulluso di radiazioni ionizzanti, ossia di onde luminose che

hanno la caratteristica di attraversare i corpi opachi alla luce visibile, venendo

attenuate in maniera pi o meno significativa, a seconda della natura e dello spessore

della sostanza attraversata. La radiazione uscente dal pezzo ispezionato risulta,

perci, di intensit variabile (fig. 13.15).

Fig. 13.15

Limmagine ottenuta rappresenta la proiezione geometrica delle discontinuit presenti

nel pezzo.

Il controllo pu essere radiografico o radioscopico, a seconda che il raggio emergente

dal pezzo impressioni una pellicola o vada ad incidere su uno schermo trattato con

sali fluorescenti.

Nelle radiografie, le zone pi scure corrispondono a spessori minori, cavit o parti

caratterizzate da basso coefficiente di assorbimento.

348

349

Nelle radioscopie, limmagine invertita: le zone corrispondenti ad una minore

attenuazione risultano pi luminose.

Inoltre, su una radioscopia, unalterazione risulta meno visibile, rispetto a quanto

ottenibile su una radiografia. Infatti, con la prima si ha una rilevazione istantanea,

mentre con la seconda si ha una rilevazione integrata nel tempo.

Daltra parte, la radioscopia consente lesame di parti in moto, cosa impossibile in

radiografia, dato che si otterrebbero immagini sfocate.

Un aspetto vantaggioso delle radiografie la possibilit di fornire una

documentazione permanente.

Infine, durante una radiografia, loperatore non esposto ai pericoli delle radiazioni.

13.5.1 Radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti utilizzate nei controlli radiografici e radioscopici sono:

raggi X;

raggi .

I raggi X vengono generati in modo artificiale, utilizzando unapparecchiatura

chiamata tubo radiogeno.

I raggi , invece, sono prodotti spontaneamente, per disintegrazione del nucleo di

isotopi di particolari materiali.

In entrambi i casi, le radiazioni sono di natura elettromagnetica e si propagano in

linea retta.

La natura dei raggi e dei raggi X , quindi, analoga a quella delle radiazioni

costituenti la luce visibile, il calore e le onde radio: lo spettro delle radiazioni X e

caratterizzato, per, da lunghezze donda particolarmente piccole ( = 10-1 10-7 m)

(fig. 13.16) e quindi, ricordando la relazione = c/ ove c la velocit della luce e

la frequenza, da frequenze molto elevate (1011 1014 MHz).

Fig. 13.16

La penetrazione delle radiazioni ionizzanti nei solidi avviene tanto pi facilmente

quanto elevata la frequenza della radiazione.

Si dicono dure le radiazioni a frequenza pi alta e molli quelle a frequenza pi bassa.

Interagendo con il materiale, la radiazione cede parte della sua energia agli atomi del

pezzo attraversato e quindi la sua intensit decresce secondo la relazione: s

s eII= 0 (13.1)

dove:

Is lintensit alla profondit s;

I0 lintensit del fascio incidente sul pezzo;

il coefficiente di assorbimento del materiale, che dato dallespressione:

= 34ZC (13.2)

dove:

C una costante;

Z il numero atomico del materiale attraversato dalla radiazione;

la lunghezza donda della radiazione;

la densit del materiale attraversato dalla radiazione.

Si pu notare che, teoricamente, lintensit della radiazione non si annulla mai,

qualunque sia lo spessore attraversato ma, in pratica, alcuni materiali, come ad

esempio il piombo e sufficienti spessori di cemento o terra, riducono lintensit della

radiazione fino a livelli trascurabili.

350

Si definisce Strato EmiValente (SEV) di un determinato materiale, lo spessore che

riduce a met lintensit della radiazione incidente. Ovviamente il SEV, per un

determinato materiale, tanto pi elevato quanto pi la radiazione penetrante, ossia

costituita da raggi duri.

I materiali che assorbono pi efficacemente le radiazioni (ad esempio il piombo) sono

usati per realizzare schermi per proteggere gli operatori addetti ai controlli.

13.5.2 Apparecchiature per la produzione di raggi X

Lapparecchiatura per la produzione di raggi X costituita dal tubo radiogeno, o tubo

di Coolidge (fig. 13.17).

Fig. 13.17

Due elettrodi, catodo e anodo, sono racchiusi in un involucro di vetro di tipo speciale

(Pyrex), in cui praticato un vuoto molto spinto (circa 10-6 mmHg).

Il catodo costituito da un filamento in tungsteno e da una coppa focalizzatrice o

cupola di concentrazione: il fascio di elettroni, emesso per effetto termoionico dal

filamento percorso da una corrente elettrica a bassa tensione, viene focalizzato verso

lanodo dalla coppa focalizzatrice. Sullanodo, costituito da materiale ad elevata

conduttivit termica, ad esempio rame, applicata una placchetta di tungsteno,

chiamata anticatodo.

Il fascio di elettroni, prodotto dal catodo, viene accelerato da una differenza di

potenziale elevata (da alcune decine di kV a centinaia di kV) e colpisce lanticatodo:

la maggior parte (99 %) dellenergia incidente viene trasformata in calore, che viene 351

disperso dallanodo opportunamente raffreddato, mentre solo una piccolissima

porzione si converte in raggi X.

Il rendimento di conversione del fascio in radiazione X cresce con il numero atomico

del materiale emittente ed per questo motivo che lanticatodo generalmente

costituito da tungsteno.

La proiezione della parte dellanticatodo colpita dal fascio di elettroni, sul piano

perpendicolare alla direzione di propagazione dei raggi X, chiamata macchia focale.

Le sue dimensioni, come si vedr in eseguito, influenzano la qualit dellesposizione

radiografica.

I parametri che permettono di controllare e variare lintensit di una radiazione X

sono:

la tensione di accelerazione;

la corrente di emissione.

Entrambi possono essere regolati agendo sul pannello di controllo

dellapparecchiatura.

Al variare della corrente di emissione, a parit di tensione, si modifica il flusso di

elettroni che nellunit di tempo va ad urtare lanticatodo. Ne consegue che,

allaumentare della corrente, aumenta la quantit dei raggi prodotti nellunit di

tempo.

Al variare della tensione di accelerazione, mantenendo costante la corrente, varia

lenergia degli elettroni incidenti sullanticatodo e, quindi, lenergia dei raggi X

prodotti: pi la tensione elevata, pi la radiazione penetrante.

Infatti, la tensione acceleratrice V e la frequenza della radiazione sono legate dalla

legge di Duane-Hunt:

= hVe (13.3)

dove:

h la costante di Plank, ; sJ10625.6h 34 =

e la carica di un elettrone.

La penetrazione dei raggi X avviene tanto pi facilemente quanto maggiore la loro

frequenza; quindi, aumentando la tensione acceleratrice, si ottiene una radiazione pi

penetrante.

352

353

Le normali apparecchiature a raggi X possono essere alimentate con tensioni al

massimo pari a 400 kV, utilizzabili per ispezionare fino a 100 mm di spessore di

acciaio. Oltre a detto limite, si deve ricorrere a particolari apparecchiature, come i

betatroni e gli acceleratori di particelle.

Lo spessore massimo di acciaio radiografabile, a seconda della tensione utilizzata per

ottenere la radiazione X, indicato in tabella 13.I.

Tab. 13.I

Tensione

[kV]

Spessore

[mm]

5 100 < 25

100 150 25

150 200 50

200 400 75

400 1000 125

1000 2000 200

15000 25000 400

Logicamente, se il pezzo da radiografare costituito da un materiale caratterizzato da

un coefficiente dassorbimento maggiore di quello dellacciaio, lo spessore

radiografabile con una determinata radiazione risulter inferiore; se pi piccolo, lo

spessore sar superiore (vedi relazione 13.1).

Dati gli altissimi costi di manutenzione e di esercizio dei betatroni e degli acceleratori

di particelle, in caso si debbano ispezionare pezzi di elevato spessore, si preferisce

utilizzare un altro tipo di radiazioni ionizzanti: i raggi .

13.5.3 Processi demissione dei raggi

I raggi sono generati spontaneamente dagli isotopi di alcuni elementi chimici.

Lisotopo si differenzia dal corrispondente elemento chimico per il fatto che nel suo

nucleo presente un numero maggiore di neutroni: ad esempio, il Co60 ottenuto per

bombardamento neutronico del Co59 (elemento non radioattivo).

354

Un isotopo si disintegra spontaneamente, in modo da raggiungere una condizione di

maggiore stabilit, emettendo radiazioni (nuclei di elio), (elettroni) e . Solo

queste ultime sono, per, impiegate per effettuare controlli non distruttivi, in quanto il

potere penetrante delle radiazioni e trascurabile.

Al termine del processo di disintegrazione, lisotopo si trasforma in elemento stabile

e quindi non radioattivo.

I pi comuni isotopi utilizzati in gammagrafia sono:

Iridio 192 (Ir192)

Cobalto 60 (Co60)

Tullio 170 (Tm170).

Il numero che accompagna il nome dellelemento identifica il numero di massa,

ovvero la somma di neutroni e protoni contenuti nel nucleo.

LIr192 impiegato nella radiografia di spessori in acciaio, o materiale

radiograficamente equivalente, pari a 18 100 mm.

Il Co60 produce raggi di energia elevata e, quindi, permette di radiografare spessori di

acciaio pari a 40 180 mm.

Raggi di basso contenuto energetico, adatti al controllo di spessori medio piccoli

(circa 10 mm), sono prodotti dal Tm170.

Lutilizzo dei raggi pu essere determinato, oltre che dalla necessit di attraversare

spessori elevati, anche dal fatto che il controllo deve essere effettuato in zone

ristrette, non raggiungibili utilizzando gli ingombranti tubi radiogeni, o in assenza di

alimentazione elettrica, necessaria per la produzione di raggi X.

Gli isotopi vengono normalmente utilizzati sotto forma di pastiglie cilindriche, aventi

diametro e altezza circa uguali (2 4mm): il diametro lequivalente della macchia

focale di un tubo radiogeno.

Ogni tipo di isotopo emette raggi di energia ben definita; non quindi possibile

intervenire per modificare il potere penetrante dei raggi prodotti.

Si definisce attivit di un isotopo il numero di disintegrazioni che hanno luogo

nellunit di tempo: lunit di misura pi usualmente impiegata il Curie, che

rappresenta lattivit di una sostanza radioattiva nella quale avvengono 3,71010

disintegrazioni al secondo. Lattivit pu essere considerata proporzionale alla

quantit di radiazioni prodotte nellunit di tempo.

Lattivit di un isotopo dipende dalla sua massa: pi elevate sono le dimensioni della

pastiglia, maggiore sar la quantit di radiazioni emesse nellunit di tempo.

Lenergia dei raggi prodotti da un isotopo non muta durante tutta la sua vita; la

quantit di radiazioni prodotte , invece, funzione dellet dellelemento.

Dallistante della produzione, con il passare del tempo, lattivit di un isotopo

diminuisce in modo esponenziale: teAA = 0 (13.4)

dove la costante di disintegrazione, caratteristica di ogni isotopo.

Per ogni elemento, pu essere definito un tempo T, chiamato tempo di dimezzamento

o semiperiodo, trascorso il quale il valore dellattivit risulta dimezzato: ad esempio,

per lIr192 il tempo di dimezzamento 75 giorni ovvero, se lattivit iniziale era di 30

Curie, dopo 75 giorni ridotta a 15 Curie.

In tabella 13.II, sono riportati i valori dei tempi di dimezzamento di alcuni elementi

comunemente utilizzati quali emettitori di raggi .

Tab. 13.II

Elemento radiattivo Tempo di dimezzamento

Tm170 127 giorni

Ir192 75 giorni

Cs137 33 anni

Co60 5.3 anni

13.5.4 Qualit di un controllo effettuato con raggi X o

La qualit di una controllo effettuato utilizzando radiazioni ionizzanti determina la

sensibilit del controllo ossia la minima differenza di spessore percepibile sulla lastra

o sullo schermo.

Per ottenere unelevata sensibilit, necessario ottimizzare il contrasto e la

definizione dellimmagine radiografica (o gammagrafica).

355

Il contrasto la differenza di densit (D2 D1) tra due aree adiacenti della

radiografia, aventi spessore diverso (fig. 13.18).

Fig. 13. 18

La densit il rapporto logaritmico tra lintensit di luce incidente (I0) e lintensit di

luce emergente (I) da una pellicola impressionata dalla radiazione (D = Log (I0/I)).

Ovviamente, tale grandezza valutabile durante la visione di una lastra radiografica

impressionata e sviluppata, esponendola alla luce di un apposito visore.

Alto contrasto significa avere una forte variazione chiaro-scuro tra due zone relative a

parti del pezzo aventi spessore differente e, quindi, lindividuazione di tale anomalia

risulta agevole.

Per definizione si intende, invece, la rapidit con cui avviene il passaggio tra le due

densit (fig. 13.19).

Fig. 13.19

Ottenere unelevata definizione vuol dire poter distinguere in modo nitido i contorni

di una discontinuit.

356

La sensibilit viene valutata impiegando gli indicatori di qualit di immagine (IQI),

anche detti penetrametri (UNI EN 462).

Il penetrametro deve essere fatto dello stesso materiale con cui realizzato il pezzo

da controllare.

Durante lesecuzione del controllo, lindicatore di qualit posto sulla superficie del

pezzo direttamente colpita dalla radiazione ionizzante, in posizione periferica in

modo da alterare il meno possibile la rilevazione di eventuali anomalie presenti nel

materiale.

Limmagine radiografica dellIQI, sovrapponendosi a quella del pezzo, permette di

giudicare la minima differenza di spessore apprezzabile sulla lastra o sullo schermo.

Esistono diversi tipi di IQI:

a fili;

a piastrine.

Un penetrametro a fili (fig. 13.20) costituito da una serie di 7 fili di diverso

diametro, contenuti in una busta di plastica. La sensibilit del controllo viene

calcolata come il rapporto tra il diametro del pi piccolo filo visibile e lo spessore del

pezzo radiografato. Ad esempio, chiedere una sensibilit del 2% sulla radiografia di

un pezzo di spessore 20 mm, significa che dovr essere possibile individuare sulla

lastra o sullo schermo almeno il filo di diametro pari a 0.4 mm.

Fig. 13.20

357

Un IQI a piastrina costituito da una piastrina contenente due o tre fori, di diametro

pari o multiplo dello spessore T della piastrina stessa. La sensibilit valutata in base

al rapporto tra lo spessore della piastrina e lo spessore del pezzo ed al diametro del

pi piccolo foro visibile. Durante il controllo, si dispongono sul pezzo le tre piastrine

raffigurate in figura 13.21, ognuna caratterizzata da uno spessore differente. Ad

esempio, il grado di sensibilit 2 - 2T indica che sulla pellicola (o sullo schermo)

visibile la piastrina di spessore T pari al 2% dello spessore del pezzo ed in particolare

il foro di diametro 2T, ovvero pari a 2 volte lo spessore della piastrina stessa.

Fig. 13.21

Va notato che lindicazione di un penetrametro ha aspetto opposto a quello risultante

dalla presenza delle alterazioni pi frequentemente presenti in un pezzo (cricche o

porosit). Infatti, il penetrametro costituisce un aumento locale di spessore e quindi

provoca una maggiore attenuazione della radiazione, rispetto al materiale costituente

il pezzo. Quindi, la sua immagine sulla pellicola risulta chiara (sullo schermo

radioscopico risulta meno brillante). Invece, le cricche e le porosit contengono aria e

quindi schermano meno la radiazione, dando origine sulla lastra a zone pi scure

(sullo schermo a zone pi brillanti).

Infine, necessario precisare che i penetrametri forniscono solo unindicazione di

massima delle dimensioni minime dellalterazione rilevabile, in quanto esse

dipendono dalla forma e soprattutto dalla giacitura dellalterazione stessa.

358

359

13.5.5 Fattori influenzanti la qualit di un controllo con raggi X o

I fenomeni di attenuazione e di diffusione, dovuti allinterazione del fascio incidente

con la materia, influenzano la qualit di un controllo effettuato utilizzando radiazioni

ionizzanti.

Un eccessivo assorbimento della radiazione incidente e, quindi, un fascio emergente

troppo debole, determina una pellicola radiografica (od uno schermo radioscopico)

scarsamente impressionata. Daltra parte, una radiazione troppo dura determina un

annerimento uniforme della pellicola, con la conseguente impossibilit di distinguere

le zone difettose da quelle sane.

La presenza di raggi diffusi, ovvero deviati rispetto alla direzione primaria, comporta

un effetto nebbia, sulla pellicola, che compromette la nitidezza dellimmagine.

Come detto, la qualit di un controllo effettuato con radiazioni ionizzanti

determinata dal contrasto e della definizione dellimmagine ottenuta.

Il contrasto legato allenergia emergente dal pezzo e quindi influenzato da:

potere penetrante della radiazione incidente sul pezzo;

intensit della radiazione incidente sul pezzo.

spessore del pezzo da ispezionare;

numero atomico e densit del materiale costituente il pezzo da ispezionare;

Per quanto riguarda il potere penetrante, la scelta della radiazione ionizzante deve

essere effettuata in modo che la radiazione emergente dal pezzo abbia energia

sufficiente ad impressionare la lastra o lo schermo posti al di l del pezzo. Tale

energia non deve per essere eccessiva, altrimenti si avrebbe unimmagine

caratterizzata da basso contrasto. Nel caso di pezzi di spessore limitato, i raggi X

forniscono un contrasto migliore, rispetto ai raggi . Infatti, la tensione di

alimentazione di un tubo radiogeno regolabile, in modo da ottenere una radiazione

non eccessivamente penetrante (meno dura); la durezza dei raggi dipende

dallisotopo utilizzato e, quindi, non regolabile.

Lintensit della radiazione emergente funzione dellintensit della radiazione

utilizzata, nonch dello spessore e della natura del materiale attraversato, secondo

quanto indicato dalla relazione 13.1. Lintensit della radiazione emergente

direttamente proporzionale allintensit del fascio incidente e decresce allaumentare

dello spessore attraversato ed al crescere del numero atomico e della densit del

materiale illuminato.

Lintensit della radiazione incidente sul pezzo determinata, oltre che dal tipo di

parametri elettrici (nel caso dei raggi X) o dal grado di decadimento (et) dellisotopo

utilizzato (nel caso di raggi ), dalla distanza sorgente pezzo. Infatti, data la

propagazione conica del fascio, la superficie illuminata da una radiazione

proporzionale al quadrato della distanza sorgente - superficie: a distanza D2 dalla

sorgente, la superficie illuminata quattro volte maggiore rispetto a quella posta a

distanza 21 21 DD = (fig. 13.22).

Fig. 13.22

Ne consegue che lintensit I2 pari ad , rispetto ad I1 , secondo la relazione:

22

21

1

2

DD

II

= . (13.5)

Per aumentare il contrasto dellimmagine radiografica, quando lenergia della

radiazione incidente sul pezzo limitata, si pu aumentare il tempo di esposizione (t)

del pezzo alla radiazione ionizzante. Il prodotto e = It, detto esposizione, esprime

lintensit luminosa che investe il pezzo, nel tempo in cui questo rimane esposto

allazione della radiazione.

360

Allaumentare della distanza tra sorgente radiogena e pezzo, bisogna aumentare il

tempo di esposizione: se la distanza raddoppia, lintensit luminosa per unit di

superficie si riduce ad e quindi il tempo di esposizione deve quadruplicare.

Se si utilizzano raggi , lesposizione data da:

tAe = (13.6)

dove

A lattivit dellisotopo utilizzato;

t il tempo di esposizione.

Siccome lattivit di un isotopo diminuisce nel tempo, gammagrafie eseguite in tempi

diversi, con lo stesso isotopo, richiederanno un tempo di esposizione diverso, se si

vuole ottenere lo stesso livello di illuminamento del pezzo (ad esempio, un tempo

doppio, se si utilizza lIr192 e si lasciano trascorrere 75 giorni tra una gammagrafia e

laltra).

I fattori che influenzano la definizione radiografica sono:

dimensione della macchia focale, nel caso di controllo con raggi X, o

dimensione della pastiglia di isotopo, nel caso di controllo con raggi ;

distanza sorgente pezzo (o meglio sorgente alterazione);

distanza pezzo pellicola (o meglio alterazione pellicola);

tipo di pellicola radiografica o di schermo radioscopico;

presenza di radiazioni diffuse.

La macchia focale, per quanto piccola, non pu essere considerata puntiforme e

quindi i bordi di unalterazione non possono essere chiaramente definiti: si ha una

certa penombra geometrica (fig. 13.23).

361

Fig. 13.23

Come detto, le radiazioni ionizzanti, come tutte le radiazioni elettromagnetiche,

avanzano in linea retta. Si pu seguire il percorso effettuato da ognuno dei raggi

emessi dai diversi punti della macchia focale (S). Analizzando quanto accade in

corrispondenza dei punti M ed N, si nota che ogni raggio proietta le estremit

dellalterazione generando, sulla pellicola (o sullo schermo), una zona di ampiezza p,

caratterizzata da annerimento variabile (penombra).

Con semplici considerazioni geometriche, si pu dimostrare che la penombra

direttamente proporzionale alla dimensione della macchia focale ed alla distanza (d)

tra alterazione e pellicola; , invece, inversamente proporzionale alla distanza (D) tra

macchia focale ed alterazione.

Per limitare la penombra geometrica, e quindi aumentare la definizione

dellimmagine, quindi necessario impiegare sorgenti a macchia focale piccola, od

adottare distanze macchia focale alterazione elevate (in modo da ottenere raggi

praticamente paralleli), e porre il pezzo a diretto contatto con la pellicola.

362

363

Poich, per un determinato apparecchio radiogeno, la dimensione della macchia

focale fissa, per ridurre la penombra quasi sempre necessario aumentare la

distanza macchia focale - pezzo. In tal caso , per, necessario ricordare che,

allaumentare di tale distanza, aumenta in proporzione quadratica il tempo di

esposizione.

Per quanto riguarda le pellicole radiografiche, esse consistono in un supporto in

plastica ricoperto da ambo i lati da uno strato di emulsione sensibile, composta

essenzialmente da cristalli di alogenuro di argento sospesi in gelatina.

Il comportamento di una pellicola determinato dalla sua grana, ossia dalla

dimensione dei cristalli di alogenuro di argento. Una pellicola a grana fine richiede un

maggior tempo di esposizione, per raggiungere un determinato annerimento, ma

garantisce una migliore definizione dellimmagine, rispetto ad una pellicola a grana

pi grossa. Infatti, la radiazione annerisce lintero grano, anche se lo colpisce solo

parzialmente.

La scelta del tipo di pellicola dipende dal livello di sensibilit radiografica richiesto

ed quindi funzione dellimportanza del componente esaminato: se si vogliono

individuare alterazioni di piccole dimensioni o se si vuole rilevare in maniera pi

precisa le dimensioni dellalterazione, necessario utilizzare pellicole a grana fine.

Nel campo della radioscopia, come rivelatori di immagine si utilizzano schermi

ricoperti di solfuri di zinco o cadmio che, sotto lazione dei raggi X o , emettono una

luce giallo verde, ben visibile: una cricca od una porosit risulteranno, quindi, come

una zona pi luminosa, rispetto alle zone adiacenti integre. La definizione

dellimmagine dipende, anche in questo caso, dalle dimensioni dei cristalli sensibili:

pi i cristalli sono piccoli, pi la definizione elevata.

Per limitare leffetto delle radiazioni diffuse, e quindi migliorare la definizione

dellimmagine, la pellicola radiografica posta tra due schermi di piombo (quello

anteriore di spessore pari a 0,10 0,15 mm e quello posteriore di spessore pari a 0,15

0,20 mm).

Lo schermo anteriore serve per impedire alla radiazione diffusa, proveniente dal

pezzo, di incidere sulla lastra. Lo schermo posteriore svolge la stessa funzione ma nei

364

confronti delle radiazioni riflesse dal pavimento e dalle pareti dellambiente in cui

eseguita la radiografia.

13.5.6 Sviluppo delle pellicole radiografiche e lettura delle immagini

Al termine dellesposizione, limmagine del pezzo radiografato gi presente sulla

pellicola impressionata ma non visibile allocchio umano (immagine latente).

Per poter leggere il film, quindi necessario procedere al suo sviluppo in camera

oscura.

Il procedimento di sviluppo consiste nelleseguire una serie di operazioni

(rivelazione, arresto, fissaggio, lavaggio, essicazione) che, se non correttamente

effettuate o se realizzate con impianti e prodotti di bassa qualit, pu compromettere

seriamente la qualit finale dellimmagine. Tempi di rivelazione eccessivi possono

diminuire il contrasto ed aumentare il velo della pellicola, rendendo pi difficoltosa

lindividuazione dei particolari. In maniera analoga, la scelta non corretta della

temperatura dei bagni o limpiego di bagni ormai esausti peggiora la sensibilit del

controllo.

Il trattamento pu essere eseguito manualmente o in modo automatico. Nel primo

caso, la pellicola, estratta dallastuccio e posta in un telaio, viene immersa in vasche

contenenti, in successione, i diversi prodotti, fino al lavaggio finale in acqua: il tempo

complessivo, compresa la fase di essiccazione, pari a 50 - 60 minuti.

Nel trattamento automatico, durante il quale tutte le operazioni sono meccanizzate e

dove possono essere utilizzati prodotti molto pi attivi e temperature dei bagni pi

elevate, il processo dura circa 10 minuti; utilizzando apparecchiature sofisticate, si

pu anche effettuare lo sviluppo in soli 3 - 5 minuti. E evidente, per, che limpiego

delle sviluppatrici automatiche giustificato da un notevole volume di lavoro.

La lettura di una radiografia viene effettuata posizionando la pellicola su unadeguata

sorgente luminosa, generata da unapparecchiatura chiamata negativoscopio: la luce

deve attraversare il film in modo da permettere allocchio umano di valutare le

differenze di annerimento presenti sulla pellicola. A tal fine, la luminosit del

negativoscopio deve essere adeguata e periodicamente verificata facendo uso di

esposimetri.

365

Prima di effettuare la lettura della radiografia, loperatore deve giudicare se stata

ottenuta la qualit radiografica richiesta, verificando sulla pellicola la presenza

dellIQI e rilevando la sensibilit percentuale rispetto allo spessore radiografato.

Bisogna tener presente che, per ottenere informazioni corrette, estremamente

importante che la pellicola o lo schermo vengano letti da personale esperto, in grado

di interpretare correttamente le immagini e di valutarne laccettabilit, essendo anche

a conoscenza della geometria interna ed esterna del pezzo e delle tecniche utilizzate

per realizzarlo.

366

13.6 CONTROLLO ULTRASONORO (UNI EN 583-1)

Il controllo ultrasonoro rientra nella categoria degli esami non distruttivi di tipo

volumetrico.

Tale metodo si basa sul fenomeno della propagazione rettilinea di un particolare tipo

di onde elastiche (le onde ultrasonore, appunto) nei materiali e nella loro propriet di

essere riflesse ogni qualvolta incidono su ostacoli disposti pi o meno

perpendicolarmente alla direzione di propagazione dellonda.

Le caratteristiche peculiari del controllo ultrasonoro sono:

condizioni di assoluta sicurezza per gli operatori;

possibilit di determinare la posizione in profondit, oltre che le dimensioni in

pianta, delle alterazioni;

gamma di spessori ispezionabili praticamente illimitata;

possibilit di impiego anche in caso di accessibilit del pezzo solo da una

parte;

apparecchiature di peso ed ingombro limitati.

Per contro, i limiti del metodo sono:

impiego di operatori altamente qualificati;

risultati dellesame non facilmente documentabili ed archiviabili;

difficolt nel correlare la segnalazione di una anomalia con la forma e le

dimensioni dellalterazione;

difficolt di interpretazione, nel caso di pezzi di forma molto complessa.

13.6.1 Strumentazione e tecniche desame

La strumentazione utilizzata per effettuare un controllo ultrasonoro costituita da:

un generatore di tensione;

un trasduttore in grado di emettere vibrazioni (trasduttore trasmittente);

un trasduttore che riceve le vibrazioni (trasduttore ricevente);

un oscilloscopio od un monitor che visualizza il segnale ricevuto dal secondo

trasduttore.

Fig. 13.24

I trasduttori sono, normalmente, di tipo piezoelettrico ossia sono dei cristalli di

quarzo, di titanato di bario o di solfato di litio, tagliati secondo particolari piani. Se

viene applicata una differenza di potenziale tra le facce di taglio, il cristallo

piezoelettrico si mette a vibrare ed, al contrario, se il cristallo riceve una vibrazione,

si crea una differenza di potenziale tra le sue facce.

Il trasduttore trasmittente collegato ad un generatore che impone una differenza di

potenziale tra le facce del cristallo. Questultimo inizia a vibrare e trasmette le onde

meccaniche al pezzo da esaminare. Se nel pezzo sono presenti delle alterazioni, il

percorso delle onde viene deviato.

Le tecniche di controllo ultrasonoro possono essere classificate in base a:

modo in cui viene garantita la trasmissione dellonda sonora dal trasduttore al

pezzo;

fenomeno fisico in base al quale viene rilevata la presenza dellalterazione.

Secondo la prima classificazione, si possono distinguere le seguenti tecniche:

367

368

ad immersione: il pezzo viene immerso in una vasca contenente acqua od, in

caso di materiali facilmente ossidabili (ad esempio, acciai al carbonio), altro

liquido. La sonda rimane ad una certa distanza dalla superficie del pezzo ma la

trasmissione dellonda sonora dal trasduttore al pezzo viene garantita dalla

presenza del liquido. In tal modo, si evitano danneggiamenti della superficie,

dovuti allo strisciamento della sonda sul pezzo. Tale tecnica utilizzata

solamente in fase di fabbricazione del pezzo;

a contatto (fig. 13.24): la sonda posta direttamente a contato con la superficie

da controllare. Per garantire la trasmissione del segnale, tra la sonda ed il

pezzo viene applicato un apposito gel che riempie gli avvallamenti della

rugosit superficiale. Tale tecnica utilizzata sia durante la fabbricazione sia

su componenti in esercizio, durante le operazioni di manutenzione.

In base al fenomeno fisico secondo il quale viene rilevata la presenza dellalterazione,

si distinguono le seguenti tecniche:

per riflessione (figg. 13.25 b, 13.25-c);

per trasmissione o per trasparenza (fig. 13.25-a).

Fig. 13.25

Nel primo caso, il trasduttore ricevente posto sulla stessa superficie del pezzo su

cui appoggiato il trasduttore trasmittente. Le onde intercettate dalla discontinuit

vengono riflesse verso il trasduttore ricevente che, colpito dalle vibrazioni, invia un

segnale elettrico alloscilloscopio od al monitor.

La tecnica per trasmissione prevede che la sonda ricevente sia posta sulla superficie

opposta del pezzo, rispetto alla sonda trasmittente. Ci implica, evidentemente,che il

pezzo sia accessibile da entrambe le parti. Il segnale intercettato dalla discontinuit

non riesce a raggiungere la sonda ricevente e quindi la presenza della discontinuit

indicata da unassenza di segnale sulloscilloscopio. Per avere indicazioni corrette,

bisogna assicurare un perfetto allineamento tra sonda trasmittente e sonda ricevente:

se ci non avviene, una parte del segnale trasmesso non verr ricevuto ma non a

causa della presenza di unalterazione.

13.6.2 Tipologie di onde ultrasonore

Le onde ultrasonore sono un particolare tipo di onde elastiche.

369

370

Un importante grandezza caratteristica di unonda elastica la frequenza, definita

come il numero di oscillazioni complete (cicli) che vengono compiute dalle particelle

nellunit di tempo. Lunit di misura della frequenza lHertz (1 Hz = 1 ciclo/s).

Il termine ultrasuoni deriva proprio dal valore dalla frequenza che li contraddistingue:

nelle applicazioni industriali, vengono utilizzate frequenze dellordine di grandezza

del megahertz (0,5 20 MHz) e cio estremamente superiori alle frequenze che

riescono a mettere in vibrazione la membrana costituente il timpano umano, che

vanno da circa 20 a circa 20.000 Hz (lorecchio dei cani e dei pipistrelli , invece, in

grado di udire gli ultrasuoni, in quanto la sua membrana pi sottile).

La frequenza di unonda ultrasonora dipende in maniera inversamente proporzionale

dallo spessore del cristallo costituente il trasduttore che genera il suono.

A seconda di come si propagano, rispetto al moto delle particelle del materiale che

stanno attraversando, si distinguono due tipi di onde elastiche:

longitudinali;

trasversali (o di taglio).

Le onde longitudinali (fig. 13.26) si propagano nella stessa direzione del moto di

oscillazione delle particelle: nel materiale, si alternano zone di compressione e zone

di rarefazione delle particelle. La distanza, costante, fra due zone di compressione

consecutive si dice lunghezza donda ().

Fig. 13.26

Le onde trasversali (fig. 13.27) si propagano in direzione perpendicolare, rispetto al

moto di oscillazione delle particelle: queste ultime descrivono una vera e propria

onda.

Fig. 13.27

La propagazione delle onde trasversali pu essere raffigurata con quanto accade in

una frusta: la frustata si sposta dal capo della corda tenuto nella mano al capo opposto

mentre le particelle della corda si muovono dallalto al basso e viceversa, cio in

direzione perpendicolare rispetto allavanzamento dellonda.

Anche in questo caso, si definisce lunghezza donda la distanza fra due creste

consecutive.

371

372

Le onde longitudinali possono propagarsi in tutti i mezzi (solidi, liquidi e gassosi),

mentre le onde trasversali si propagano solo nei solidi.

13.6.3 Caratteristiche di unonda ultrasonora

La velocit di propagazione delle onde costante ma dipende dal tipo di onda e dal

materiale che viene attraversato.

In particolare, nel caso di materiali metallici, la velocit dipende dal modulo elastico

E e dalla densit del materiale attraversato. Il prodotto della densit per la

velocit di propagazione V si dice impedenza acustica del materiale ed una

caratteristica che condiziona pesantemente la propagazione di unonda.

Per quanto riguarda la tipologia di onde, quelle trasversali hanno una velocit di

propagazione pari a circa la met di quella delle onde longitudinali nello stesso

mezzo. In tabella 13.III sono riportati i valori delle velocit di propagazione delle

onde ultrasonore in alcuni materiali (per frequenza di oscillazione del cristallo

emettitore pari a 1MHz).

Tab. 13.III

Materiale

attraversato

Velocit di propagazione

[105 cm/s]

Densit

[g/cm3] onde longitudinali onde trasversali

Alluminio Rame Piombo Magnesio Mercurio Molibdeno Nichel Acciaio Acciaio inossidabile Titanio Tungsteno Ghisa Vetro Ghiaccio Acqua Aria Olio minerale

2,71 8,90 11,4 1,74 13,60 10,09 8,80 7,80 7,67 4,54 19,25 7,20 2,51 1,00 1,00 0,001 0,92

6,35 4,66 2,16 5,79 1,42 6,29 5,63 5,65 7,33 6,10 5,40 3,80 5,70 3,98 1,49 0,33 1,38

3,10 2,26 0,70 3,10 - 3,36 2,96 3,23 2,99 3,12 2,87 2,20 3,40 1,99 - - -

Velocit di propagazione (V), frequenza (f) e lunghezza donda () di unonda

ultrasonora sono legate dalla relazione:

fV = (13.7)

dalla quale si evince che, stabilita una certa frequenza (tipo di sonda), il tipo di onda

ed il mezzo di propagazione (perci la velocit di propagazione), la lunghezza donda

risulta determinata.

Ad unonda elastica sempre associabile una pressione, cio la forza per unit di

superficie generata dalla vibrazione meccanica delle particelle. Questa grandezza

fisica di fondamentale importanza in quanto quella che una sonda per esami ad

ultrasuoni in grado di rilevare, ed la grandezza alla quale risultano proporzionali

le altezze dei segnali (echi) sullo schermo dellapparecchiatura.

La pressione acustica di unonda ultrasonora diminuisce allaumentare della distanza

dal trasduttore che ha generato londa.

Il volume di materiale interessato dalle vibrazioni ultrasonore formato da una

porzione approssimativamente cilindrica, di diametro pari a quello della sorgente e

profondit pari a N = a2/ (con a raggio del trasduttore), e da una porzione

approssimativamente conica (fig. 13.28).

Fig. 13.28

Il semiangolo di apertura del fascio definito dalla relazione:

aCsen

=2 (13.8)

e dipende pertanto dal raggio a del trasduttore e, attraverso la lunghezza donda, dal

tipo di materiale, dal tipo di onda (longitudinale o trasversale) e dalla frequenza del

trasduttore (in quanto = V/f, dove V la velocit di propagazione di quel tipo di

onda in quel tipo di materiale). 373

374

Questa divergenza si traduce nel fenomeno, gi citato, del decadimento della

pressione acustica lungo lasse del fascio, allaumentare della distanza dal trasduttore;

tale fenomeno noto come attenuazione geometrica.

Al fenomeno dellattenuazione geometrica si somma la cosiddetta attenuazione

strutturale dovuta sostanzialmente a fenomeni di dissipazione dellenergia del fascio,

sia di tipo fisico (assorbimento) sia di tipo geometrico (diffusione). Cio, la

perturbazione meccanica che si propaga nel materiale, interagendo con la struttura

stessa del materiale (bordi di grano, interfacce di separazione fra la matrice e le

inclusioni, particelle precipitate, ecc.) viene in parte diffusa in varie direzioni, con la

conseguenza di attenuare lenergia del fascio, e in parte assorbita e trasformata in

calore.

Il fenomeno dellattenuazione strutturale tanto pi evidente quanto pi la struttura

del materiale costituita da grani grossi, ricchi di precipitati (carburi, nitruri, ecc.) e

di inclusioni.

13.6.4 Tipi di sonde

Con il termine sonda, si intende la custodia contenente il cristallo trasmettitore e/o

ricevitore di ultrasuoni.

Nella sonda, sono presenti le connessioni elettriche, che connettono le facce del

trasduttore, opportunamente metallizzate, ai poli di un generatore, ed un materiale

assorbente, che ha la funzione di smorzare la vibrazione del cristallo.

Per proteggere il cristallo piezoelettrico dallusura dovuta al contatto con la superficie

del pezzo da controllare, il trasduttore viene coperto da una membrana in

polimetilmetacrilato (Plexiglass), dello spessore di alcuni decimi di millimetro.

A seconda del tipo di fascio che emettono, si distinguono due tipi di sonde:

a fascio normale;

a fascio angolato.

Le sonde a fascio normale (fig. 13.29) emettono onde ultrasonore longitudinali.

Fig. 13.29

Le sonde angolate (fig. 13.30) sono costituite da un trasduttore incollato su un cuneo

in plexiglas (zoccolo), attraverso il quale si trasmette lenergia ultrasonora in onde

longitudinali fino alla superficie di contatto. A seconda dell angolo di inclinazione

del piano inclinato del cuneo e della velocit di propagazione nel materiale, si

determina un certo angolo di rifrazione, ed in questo modo si introducono nel

materiale onde trasversali.

Fig. 13.30

13.6.5 Caratteristiche di un controllo ultrasonoro

La sensibilit di un controllo ultrasonoro definita come la capacit del sistema di

rilevare (attraverso echi visibili sullo schermo) piccole discontinuit. La sensibilit

del controllo strettamente legata a due fattori:

la lunghezza donda adottata

la potenza del fascio emesso

375

Allaumentare della lunghezza donda la sensibilit dellesame in generale

diminuisce, in quanto, per fenomeni di diffrazione, onde con molto maggiore delle

dimensioni caratteristiche della discontinuit tendono ad aggirarla senza essere

riflesse e pertanto la discontinuit risulta invisibile a quella (fig. 13.31-a). Al

contrario quando pi piccola o, al pi, dello stesso ordine di grandezza delle

dimensioni caratteristiche del riflettore, la parte del fascio geometricamente

intercettato dal riflettore, viene riflessa ed esso risulter perci facilmente rilevabile

(fig. 13.30-b).

Fig. 13.31

Invece, la sensibilit dipende dalla potenza del fascio emesso: tanto maggiore la

quantit di energia che incide su di un riflettore (alterazione), tanto pi elevata sar la

sua risposta ultrasonora e tanto meglio visibile sar leco che apparir sullo schermo

in quanto di altezza superiore.

Una caratteristica fondamentale di un controllo ultrasonoro il suo potere risolutivo,

definito come la capacit del sistema di rappresentare con due diversi echi,

chiaramente distinti tra loro, due discontinuit molto vicine fra loro nel senso dello

spessore, anzich con un solo eco di maggiore larghezza. (fig. 13.32).

Fig. 13.32 376

Il potere risolutivo tanto maggiore quanto minore la lunghezza dellimpulso di

emissione: infatti se limpulso inviato nel materiale breve la risposta della

discontinuit pi vicina si smorzer prima dellarrivo della risposta pi lontana e si

potranno visualizzare due echi distinti.

In figura 13.33, visibile la cos detta zona morta, ossia la porzione di materiale

immediatamente sottostante al trasduttore entro la quale non possibile rilevare

discontinuit (fig. 13.32).

Fig. 13.33

Infatti, nei primi istanti susseguenti allemissione dellimpulso, il trasduttore non

ancora in grado di ricevere segnali.

Lentit della zona morta, pur dipendendo in massima parte dalle caratteristiche di

smorzamento della sonda, viene spesso erroneamente vista come una caratteristica

peculiare della sola sonda. In realt, poich nel tempo di smorzamento delle

vibrazioni del cristallo, gli ultrasuoni compiono un percorso direttamente

proporzionale alla velocit di propagazione, la zona morta dipende anche dal

materiale su cui si appoggia la sonda.

Con lutilizzo di sonde a doppio cristallo o di 2 sonde (trasmittente - ricevente),

lestensione della zona morta viene ridotta.

13.6.6 Rappresentazione del segnale

Il segnale ricevuto viene inviato ad un oscilloscopio e quindi sar visibile su uno

schermo come un picco detto eco.

377

La rappresentazione del segnale sullo schermo pu essere di tre tipi:

scan A (fig. 13.34-a);

scan B (fig. 13.34-b);

scan C (fig. 13.34-c).

Fig. 13.34

La rappresentazione di tipo A quella maggiormente utilizzata.

Secondo tale rappresentazione, la distanza del piede di sinistra delleco dallorigine

proporzionale alla profondit del riflettore e laltezza delleco proporzionale alla

pressione acustica della risposta ultrasonora.

378

379

Con la rappresentazione scan B, si ottiene una sezione longitudinale del pezzo in

esame. Con la rappresentazione scan C viene persa ogni informazione relativa alla

profondit dei riflettori e si ottiene una vista in pianta del pezzo, in maniera simile

ad unimmagine radiografica.

13.6.7 Taratura della strumentazione

Un esame con ultrasuoni richiede lesecuzione di alcune operazioni preliminari di

taratura che possono essere riassunte nei seguenti punti:

controllo dellapparecchiatura

taratura dellasse dei tempi (distanze)

taratura del livello di sensibilit

Tali operazioni vengono normalmente compiute su blocchi di calibrazione

appositamente studiati.

I blocchi di calibrazione o blocchi campione devono essere costruiti in materiale

avente caratteristiche fisiche e strutturali quanto pi possibile simili a quelle del

materiale da esaminare, in modo da presentare analoghe propriet acustiche.

I principali blocchi di taratura impiegati sono:

blocco V1 (fig. 13.35-a);

blocco o V2 (fig. 13.35-b);

blocchi di taratura del livello di sensibilit (fig. 13.36).

Fig. 13.35

In figura 13.36 viene rappresentata la procedura per eseguire la taratura dellasse dei

tempi con sonde a fascio norma