Massimiliano Pau Cenni sui Controlli Non Distruttivi

Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Cagliari

Introduzione

I CONTROLLI NON DISTRUTTIVI

Il ruolo dei Controlli Non Distruttivi nell’industria

Cricche1 e difetti possono influenzare in modo devastante le prestazioni di

componenti e strutture a tal punto che la loro individuazione è parte essenziale

del controllo di qualità in tutti i campi dell’ingegneria. L’insieme delle tecniche

e delle procedure che hanno come fine la valutazione delle difettosità nei

materiali o nei manufatti è genericamente classificato sotto il nome di “Controlli

non Distruttivi” o, nella letteratura anglosassone, “Non-destructive Testing”

(NDT) o “Non-destructive Evaluation” (NDE). Tuttavia le applicazioni NDT

spesso vanno molto oltre la semplice individuazione e localizzazione dei difetti,

poiché esse riguardano tutti gli aspetti della caratterizzazione dei solidi, lo

studio della loro microstruttura e morfologia, l’analisi delle proprietà fisico-

chimiche, i loro metodi di preparazione ecc.

Tra le tecniche NDT si comprendono usualmente i metodi radiografici, quelli

ultrasonici, l’ispezione con liquidi penetranti, il metodo delle particelle

magnetiche (magnetoscopia), la termografia, tecniche basate sull’impiego di

1 La cricca può essere definita come una discontinuità originatasi per distacco inter o transcristallino in un materiale metallico originariamente continuo e sano. È un difetto che viene indicato come bidimensionale poiché solitamente si presenta più o meno lungo e profondo con andamento frastagliato mentre i suoi lembi sono piuttosto ravvicinati. Se le cricche hanno dimensioni molto ridotte (inferiori ad 1 mm), vengono definite microcricche.

2

campi elettrici e magnetici e l’ispezione visiva. Nell’industria le tecniche NDT

possono essere applicate a materiali sia metallici che non metallici e ad oggetti

di differenti dimensioni sia statici sia in movimento, ma esiste un punto

comune a tutte, ossia la loro capacità di non influire in alcun modo sulle

caratteristiche fisico-meccaniche del componente testato; ciò significa che, a

differenza di molti dei test usualmente impiegati per caratterizzare i materiali

(per es. le prove a trazione) che prevedono la parziale o totale distruzione del

provino, i controlli non distruttivi non alterano la funzionalità del pezzo, che

può tranquillamente essere rimesso in esercizio (quando non sia possibile

testarlo “in situ”) subito dopo l’esecuzione della prova.

L’azienda che si trova a dover pianificare una campagna di controlli sui propri

manufatti (o sui materiali provenienti dai fornitori) deve tenere presente che

spesso la soluzione ottimale in termini di completezza delle informazioni

provenienti dai test NDT è frutto di soluzioni di compromesso che mettono in

gioco diversi aspetti quali costi, abilità dell’operatore, sensibilità, sicurezza ecc.

Caratteristica rilevata Vantaggi Limiti Esempi di impiego

Metodo

UltrasuoniVariazioni di impedenza acustica causate dalla

presenza di cricche, interfacce, inclusioni ecc.

Può penetrare elevati spessori, eccellente per l'individuazione

di cricche, autmoatizzabile

Richiede l'uso di un mezzo accoppiatore, le superfici devono essere non troppo

rugose

Cricche nelle saldature, verifica dell'efficienza delle giunzioni

RadiografiaVariazioni di densità originate

dalla presenza di vuoti, inclusioni, o materiali differenti

Versatile in quanto a materiali e spessori testabili. La pellicola

fornisce una registrazione permanente della prova

Occorre adottare precauzioni severe per le radiazioni.

Difficile individuare cricche orientate perpendicolarmente

al fascio

Diefftosità interna in semilavorati, difettosità nelle

saldature

Ispezione visiva

Caratteristiche superficiali quali graffi, cricche o variazioni cromatiche. Corrosione,

deformazioni nei materiali plastici

Economico, può essere automatizzato

Può essere impiegato solo per difetti superficiali o su materiali

trasparenti

Carta, legno e metalli solo per finiture superficiali ed

uniformità

Correnti indotteVariaizoni nella conduttività elettrica causate da cricche,

vuoti o inclusioniCosto moderato

Impiego limitato ai materiali conduttori. Scarsa capacità di

penetrazione

Tubi di scambiatori di calore (assottigliamento delle pareti o

cricche)

Liquidi penetranti Aperture superficiali causate da cricche, porosità ecc.

Poco costoso, facile da applicare, portatile, sensibile a

piccoli difetti superficiali

I difetti devono avere sbocco sulla superficie, non applicabile

su superfici porose o ad elevata rugosità

Pale di turbina (cricche e porosità)

Particelle magneticheVariazioni nel campo

magnetico causate da difetti superficciali o sub-superficiali quali cricche, inclusioni, ecc.

Costo medio-basso, sensibile a difetti superficiali e sub-

superficiali

Impiego limitato ai materiali ferromagnetici. Preparazione della superficie laboriosa, può

richiedere post-smagnetizzazione

Ruote ferroviarie (cricche), getti

3

Di per sé la sola esistenza di una notevole varietà di metodi NDT suggerisce che

nessuna delle tecniche è di per sé completa, ma piuttosto esse costituiscono un

insieme nel quale ciascuna si dimostra più adatta di altre in determinate

circostanze, oppure (come capita spesso) più metodiche sono impiegate in

modo complementare per il controllo di uno stesso manufatto al fine di

garantire l’individuazione del maggior numero possibile di potenziali difetti.

4

Sebbene siano state proposte numerose classificazioni finalizzate alla

suddivisione delle tecniche in classi omogenee, il confine tra le prestazioni che

ciascuna metodica può offrire si presenta alquanto sfumato. Tuttavia una

classificazione di larga massima può essere fatta separando i controlli

“volumetrici” da quelli “superficiali”: nel primo caso (Raggi X, Ultrasuoni) è

possibile investigare sull’esistenza di difetti interni al componente, mentre nel

secondo (Magnetoscopia, Penetranti, Correnti Indotte, Ispezione Visiva) la

tecnica si limita a fornire informazioni su difettosità superficiali o sub-

superficiali. A volte, come accade per esempio nel caso del metodo ultrasonico,

adottando opportuni accorgimenti è possibile rilevare entrambi le classi di

difetti, ma in genere tale tecnica è maggiormente utilizzata per il controllo

interno.

Ultrasuoni Raggi X Correnti Indotte Magnetoscopia Liquidi penetranti

Costo strumentazione Medio-alto Alto Medio-basso Medio Basso

Costo consumabili Molto basso Alto Basso Medio Medio

Tempo necessario ad ottenere i risultati Immediato Medio Immediato Basso Basso

Effetto della geometria Importante Importante Importante Non molto

importanteNon molto importante

Problemi di accessibilità Importante Importante Importante Importante Importante

Difetti rilevabili Interni Interni e superficiali Superficiali e sub Superficiali e sub Superficiali

Sensibilità Alta Media Alta Bassa Bassa

Automatizzabile SI Con difficoltà SI Quasi nulla Quasi nulla

Dipendenza dal materiale Alta Media Alta Solo ferromagentici Bassa

Abilità dell'operatore Alta Alta Media Bassa Bassa

Portabilità Alta Bassa Medio-alta Medio-alta Alta

Metodica

5

Altro fattore condizionante può essere legato al tipo di materiale testato. Non

tutti i metodi si prestano ugualmente bene ad indagare sulla vasta gamma dei

materiali impiegati nei diversi settori dell’ingegneria meccanica, civile o

nucleare. Ad esempio, il metodo delle particelle magnetiche e quello delle

correnti indotte possono essere applicati rispettivamente solo a materiali

ferromagnetici o conduttivi, e questo esclude a priori tutte le classi del

materiali non metallici plastici o gommosi. Questo problema non si riscontra,

invece, se si impiegano gli ultrasuoni che, essendo onde elastiche, necessitano

solo di un mezzo (solido o liquido) nel quale propagarsi.

Le indicazioni fornite dai test NDT

Qualunque sia il metodo che viene selezionato per una indagine non distruttiva

e qualunque sia il componente/manufatto/semilavorato oggetto di test, ciò che

ci si aspetta dal controllo è l’accertamento (o meno) delle cosiddette

indicazioni, ossia di informazioni che devono essere opportunamente

interpretate e valutate con il fine ultimo di formulare un giudizio di

accettazione o rifiuto del campione. Occorre sottolineare, comunque, che la

presenza di un’indicazione non è necessariamente indice dell’esistenza di

difettosità.

In base alla normativa ASTM2 la terminologia relativa alle indicazioni le

classifica come segue:

• Falsa. È un’indicazione non originata dall’interazione della tecnica

impiegata con una discontinuità, ma piuttosto un’informazione

fuorviante causata da un’errata procedura o da una scorretta

elaborazione dei dati sperimentali. Viene anche definita indicazione

“fantasma” o “spuria”.

2 American Society for Testing and Materials

6

• Non-rilevante. È un’indicazione che non ha relazione con una

discontinuità che è considerata difetto nella parte da testare; un difetto

con livello di tolleranza accettabile.

• Rilevante. Un’indicazione o un difetto che può avere un qualche effetto

sulle prestazioni del componente.

• Discontinuità. Un’interruzione (intenzionale o non-intenzionale) nella

configurazione del pezzo.

• Difetto. Una o più indicazioni che violano le specifiche sul componente

fissate a priori.

La procedura di controllo si concretizza, dunque, nelle seguenti tre fasi:

1. Indicazione

2. Valutazione

3. Interpretazione

Nella prima fase, l’obiettivo è quello di applicare la procedura in modo tale da

far emergere la presenza di indicazioni (che poi possono essere classificate come

visto in precedenza). Successivamente le indicazioni raccolte, che per il

momento vengono caratterizzate esclusivamente in base al numero alla

localizzazione e alla dimensione, devono essere valutate secondo opportuni

criteri legati in parte alla normativa (sia essa generica o specifica definita in sede

di capitolato d’appalto) e in parte all’esperienza maturata dall’operatore che

esegue il controllo. Sfortunatamente, non esistono delle regole certe e definite

per tutte le tipologie di discontinuità rilevate durante un controllo che ne

consentano una classificazione generica obiettiva, ragion per cui è essenziale

introdurre nella procedura elementi di sensibilità personale che si rivelano poi

essenziali nell’esito finale del controllo.3

3 Non sono infrequenti casi di dissidi tra tecnici della parte committente e tecnici dell’azienda appaltante causate proprio da pareri discordanti nell’attribuzione dei giudizi di idoneità su un manufatto a seguito di procedure NDT

7

Nella fase finale di valutazione, l’operatore formula un giudizio complessivo

che definisce, sulla base delle informazioni raccolte nelle fasi precedenti, se il

componente è idoneo allo svolgimento delle funzioni per le quali è stato

progettato e realizzato.

li standard per l’applicazione dei controlli non distruttivi

cifiche tecniche o

rganizzazioni di

ari aspetti di una

G

Gli standard sono documenti contenenti essenzialmente spe

altri criteri che fungono da regole, linee guida o definizioni di caratteristiche tali

da assicurare la corretta applicazione di una metodica NDT.

In genere questi elaborati tecnici sono redatti da o

standardizzazione a livello nazionale o internazionale (es. ISO, ASME, ASNT,

EN) e, pur non avendo validità di legge, vengono formalmente inserite nei

capitolati che regolano il rapporto tra cliente e committente.

Tipicamente, un insieme di standard relativi a particol

metodica NDT vanno a confluire nella cosiddetta “procedura”, che rappresenta

l’espressione operativa delle normative tecniche a livello aziendale. In

8

sostanza, la procedura stabilisce le apparecchiature, gli accessori, i materiali di

consumo, la tecnica esecutiva ed i criteri di accettabilità per l’esecuzione di un

determinato controllo su una particolare categoria di manufatti.

Ad esempio, in una procedura per l’esecuzione di controlli radiografici su

ci deve essere certificato almeno al livello 1,

i piena responsabilità di un laboratorio di prova o di un centro di esame

dare istruzioni e procedure CND

dure e le istruzioni CND da

uire e sovrintendere a tutti gli incarichi propri di un livello 1 e 2.

erranno impiegate classi di sistema pellicola conformi alla EN 584-1. Le classi minime

evono essere apposti simboli su ogni sezione dell’oggetto da radiografare. Le immagini

ome scegliere il CND giusto?

saldature in valvole FCC, è stabilito che

il personale che eseguirà i controlli radiografi

in accordo con la norma EN 473, mentre il giudizio di accettabilità deve essere emesso

da personale certificato almeno al livello 2. Il personale classificato al livello 3 può essere

autorizzato a:

a) assumers

e del relativo personale

b) stabilire e convali

c) interpretare norme, codici, specifiche e procedure

d) stabilire i particolari metodi di prova, le proce

utilizzare

e) eseg

V

dei sistemi pellicola sono indicate nei prospetti II e III allegati a EN 444. I prospetti

riportano anche il tipo e gli spessori raccomandati degli schermi metallici.

D

di questi simboli devono comparire nella radiografia, dove possibile nella zona di

interesse, e devono garantire l’identificazione univoca della sezione. EN 444 ( 5.3.

identificazione delle radiografie)

C

9

La scelta corretta del tipo di controllo da impiegare scaturisce da un’attenta

Il primo step consiste nel predisporre una appropriata “check list” che consenta

getto e di

• recedenti

• rado

nni subiti

• ione

2. Accessibilità

È necessario che l’operatore possa accedere a tutte le superfici affinché queste

magnetici od ionizzanti che limitano l’applicabilità dei CND.

analisi della problematica nel suo insieme ed è per questo che il processo

decisionale deve tenere conto di tutti i seguenti aspetti:

1. Programmazione

la raccolta e l’elaborazione dei dati attinenti al componente; per questo occorre:

• classificare il componente secondo il livello di criticità

• conoscere il tipo di materiale, le condizioni di pro

esercizio, le caratteristiche geometriche del componente

raccogliere e catalogare indicazioni fornite da p

esperienze sullo stesso componente ed analoghi.

stabilire le cause e le modalità più probabili di deg

• stabilire il tipo di CND più adeguato per verificare i da

dal componente con riguardo all’efficacia, ai tempi ed ai costi

definire i tempi necessari all’esecuzione dei controlli in relaz

anche ad altri interventi di manutenzione (es. impossibilità di

eseguire radiografie in concomitanza di altri lavori nella stessa

zona)

possano essere esaminate con i CND e tuttavia l’accessibilità ad una

apparecchiatura comporta dei costi che in molti casi potrebbero essere contenuti

se la progettazione tiene già conto a monte della possibilità di ispezione.Un

altro aspetto da considerare è la necessità di controllare un componente che

opera in una zona di impianto dove possono essere presenti campi elettrici,

10

3. Preparazione delle superfici d’esame

La preparazione delle superfici d’esame è per alcuni CND indispensabile per la

loro buona riuscita. Infatti i componenti di impianto hanno, molto spesso,

ente quale tipo di

a conoscenza della tipologia caratteristica dei difetti nei componenti di

imp ollocazione, la loro probabilità di

condizioni superficiali esterne alquanto critiche dovute a fenomeni di

ossidazione. Poiché la preparazione superficiale ha una incidenza sui costi dei

CND, è necessario che venga opportunamente valutato il tipo di controllo da

applicare per poter ottimizzare e razionalizzare l’intervento.

Ad esempio se consideriamo la preparazione superficiale di un giunto saldato

per un controllo ad ultrasuoni occorre valutare preventivam

difetti si ricerca al fine di ottimizzare il tipo di preparazione (semplice

spazzolatura, una sabbiatura, una molatura superficiale ai lati della saldatura,

una molatura con rasatura completa del cordone di saldatura)

4. Conoscenza dei difetti tipici in esercizio

L

ianto, quali la loro origine, la loro c

individuarli in zone prestabilite e la loro evoluzione, sono elementi

indispensabili per una corretta metodologia di controllo. In assenza di queste

informazioni, si corre il rischio di applicare metodologie inadeguate o di dover

ricorrere ad una sovrabbondanza di controlli necessaria per considerare tutte le

ipotesi di difettosità. Ad esempio, se si ha a che fare con fenomeni di corrosione

uniforme, certamente controlli spessimetrici di tipo ultrasonico forniscono

informazioni su estensione ed ubicazione del fenomeno corrosivo-erosivo,

mentre le radiografie possono fornire un contributo per la verifica dello

spessore su una visione di insieme. Inutile dire che i controlli superficiali sono,

in questo frangente, inutili.

11

5. Sensibilità dei controlli

Partendo dal presupposto che l’affermazione “componente privo di difetti”

cnicamente non ha senso, è necessario sempre riferirsi alla normativa

applicabile che identifica l’accettabilità o l’inacettabilità dei difetti riscontrati.

il

te

al caso reale.

i

ontrollo in grado di garantire la corretta applicazione del metodo e, dato che

l’efficacia dei CND è basata principalmente sulla loro ripetibilità, è fuor di ogni

te

A tal proposito, la normativa o la specifica di controllo applicabile definisce,

oltre alla classe di accettabilità, anche la taratura della strumentazione che fa

parte integrante della sensibilità del controllo. Quindi, una volta definito

difetto minimo accettabile diviene determinante il confronto con difetti

artificiali di forma e dimensioni standard praticati su blocchi di calibrazione.

Di notevole supporto, nella definizione della sensibilità dei CND per i diversi

manufatti, è la normativa nazionale, europea ed internazionale in uso, la quale

suggerisce la corretta procedura d’esame. Dunque è essenziale, a mon

dell’esecuzione di un controllo non distruttivo, definire la normativa applicabile

secondo cui viene condotto il controllo o in mancanza di questa, la tipologia dei

difetti accettabili con cui confrontare le indicazioni riscontrate.

Talvolta si ricorre a blocchi campioni con difettosità artificiali fuori standard,

ottenute con particolari lavorazioni meccaniche, ma più frequentemente per

elettroerosione, per poter creare condizioni di taratura più vicine

6. Qualificazione del personale

L’esecuzione di un esame, sottintende la stesura di un’adeguata procedura d

c

dubbio che diventa necessario il rispetto, nella sua interezza, della specifica da

applicare. Quindi per poter raggiungere tale scopo risulta indispensabile che la

conduzione dei CND sia affidata a personale adeguatamente qualificato, di

provata capacità, serietà professionale e che abbia maturato una notevole

12

esperienza sul controllo di difettosità che vengono a crearsi nel componente in

esame.

7. Documentazione

Come accennato in precedenza, l’atto finale di un controllo è rapprsnetato dalla

tesura di un’apposita documentazione; infatti un esame anche ben condotto,

ma non sufficientemente ed appropriatamente documentato, perde gran parte

che possa contenere i dati necessari per la

s

della sua validità, in quanto non può essere confrontabile né con i controlli

precedenti né con quelli futuri.

A tal fine è quindi necessario, disporre di una modulistica che risulti in grado di

poter descrivere le informazioni utili alla definizione del tipo di controllo con la

relativa classe di accettabilità e

ripetibilità del controllo. Di seguito sono riportati alcuni esempi di

certificazione redatti in conformità con le normative ASME.

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CONTROLLLI CON LIQUIDI PENETRANTI CE/LP FoglioCERTIFICATO DI ESAME ..................................... Sheet ........of.........

PENETRANT TEST EXAMINATION REPORT Data (Date):

CLIENTE: factory

customer: ITEM

OGGETTO IN ESAME Item examinated

OGGETTO IN ESAMEitem examinedPART. CONTR. EST. INT.part examined external internal

PROCESSO DI PRODUZIONE MATERIALEproduction processing materialSTADIO DI LAVORAZIONE DISEGNOworking processing drawingCONDIZIONI SUPERFICIALI CONTR. VISIVO TEMP. SUPERFICIALE °Csurface condition Visual check OK NO surface temperature

PRODOTTI USATI - liquid penetrant groupingsgrassante penetrante sviluppatore lampada di wood

degreasing penetrant developer wood light

Tipo colorato fluorescente polvere liquidotype colored fluorescent powder liquidMarca CGM CGM CGMtrade markSigla VELNET ROTVEL ROTRIVELinitialsCaratterist. diluibile diluizione calibrazionecaracteristic that can be diluted dilution calibration

acqua - water solvente - solvent H2O solv.

PROCEDURA D'ESAME - test procedureNORME DI RIFERIMENTO ASME Sez. V atr. 6 ACCETTABILITA': ASME Sez. VIII div. 1 app. 8reference specification Proc. I8 (CQ) Rev. 0 acceptance standars

PREPULIZIA APPLICAZIONE PENETRANTE LAVAGGIOprecleaning penetrant application excess penetrant removal

MECCANICA IMMERSIONE TEMPO DI PENETRAZIONE

mechanics immersion penetration time CON ACQUACHIMICA PENNELLO with water

chemistry brush CON SOLVENTEVAPORE SPRUZZATURA min without water

vapour spray

ESSICAZIONE APPLICAZIONE SVILUPPATORE ISPEZIONE PULIZIA FINALEdrying developer application inspection final cleaning

NATURALE TEMPO DInatural IMMERSIONE SVILUPPO LUCE NATURALE SI NOAD ARIA immersion dweil time natural light yes no

air SPRUZZO LUCE DI WOODA FORNO spray min wood light

oven

RISULTATO D'ESAME Third Party o Customer Remosatest results : SATISFACTORY

NO RELEVANT INDICATION HAVE

BEEN FOUND.

MI8(CQ)-N°1-R0

14

CONTROLLI MAGNETOSCOPICI CE/MT FoglioCERTIFICATO D'ESAME ..................................... ..........di...........

magnetic particle test Data:Date:

CLIENTE ITEMcustomer

OGGETTO IN ESAMEitem examinedPART. CONTR. EST. INT.part examined external internal

PROCESSO DI PRODUZIONE MATERIALE

production processing material

STADIO DI LAVORAZIONEworking processing

CONDIZIONI SUPERFICIALI CONTR. VISIVOsurface condition Visual check OK NO

SCOPO DISEGNOpurpose drawing

NORME DI RIFERIMENTO ASME Sez.V art. 7 ACCETTABILITA' ASME Sez. VIII div. 1 app. 6reference specification Proc. I10(CQ)R.0 acceptance standard

mGENERATORE RILEVATORE inspection mediuAPP e SECCO dry UMIDO wet FLUORESC fluoresc LAMP.WOOD wood light

qA MARCA marca tr. mark marca trade mark marca tr. mark marca trade markR u trade markE i CGM

p TIPO colore colore soluzione sospensione tiC po:C e type color color solution suspension type

H m grigio nero acqua lung. d'onda luce neraI e MATRICOLA grey black water light wave lrnght

n serial number bleu rosso oliA o nmT t intensitàbleu red oil

U DATA CALIBRAZIONE rosso contrasto concentrazione intensityR calibration red contrast concentr.

A ............... % ........................ μ W/cm2METODO DI MAGNETIZZAZIONE magnetizazion method

P PUNTALI CONDUTT. CENTR. GIOCO BOBINA

R CORRENTE CORRENTE CORRENTE MAGNETE CORRENTE

O t current current current magnet current

C e INTENSITA' A INTENSITA' A FLUSSO MAGNETICO AMPERE/ SPIRE

E s intensity intensity magnetic flux ampere/turns

D t DISTANZA PUNTALI DIAMETRO INTERNO DISTANZA POLARITA' DIAMETRO BOBINA

U prods. dist ................ mm internal diam. ..................... mm polar spacing ........................... mm coil diam ............................................ mm

R p CONTROLLO MAGNETIZ. METODO DI INDAGINE METODO SMAGNETIZZANTE MAGNETISMO RESIDUO

rA magnetisation checking Examination method demagnetisation method residual magnetism

o DIRETTO INDIRETTO

DI c direct indirect CONTINUOe continuos

E d INDICATORE

S u field indicator

r BERTHOLD ASME RESIDUOAeM redidual

ERISULTATO D'ESAME Third Party o Customer Remosaest results:T

MI10(CQ)-N°1-R0

15

16

Liquidi Penetranti

LIQUIDI PENETRANTI

Introduzione e breve storia del metodo

L’ispezione mediante liquidi penetranti (LPI) è un metodo semplice ed efficace

di indagine superficiale utile all’ individuazione di cricche, difetti e

discontinuità in genere, per mezzo dell’esaltazione della loro visibilità

(altrimenti impossibile all’occhio umano per limiti di carattere fisiologico) in

termini di espansione dimensionale e contrasto cromatico o fluorescenza.

La tecnica si basa sulla capacità di un liquido di essere assorbito da una

fessurazione presente sulla superficie del corpo a seguito di fenomeni di

capillarità; lo stesso liquido rimasto intrappolato nella discontinuità è soggetto a

richiamo in superficie da parte di una seconda sostanza (detta “rivelatore” o

“sviluppo”) che ha la duplice funzione di fungere da sfondo per le indicazioni e

da sede di ulteriori interstizi nei quali il penetrante risale e si espande formando

l’indicazione finale che identifica la presenza dell’anomalia e ne esalta la

visibilità.

Sebbene l’introduzione industriale del metodo LPI sia relativamente recente

(anni ’40), le origini storiche di questa tecnica possono essere fatte risalire

all’antichità, considerato che si ha traccia delle osservazioni di fabbri che, in

epoca romana, descrivevano la risalita di liquidi da cricche presenti nei pezzi in

lavorazione.

Più in generale, i metodi di indagine superficiale sembrano essere i primi ad

essere stati impiegati (in modo empirico e inconsapevole, se si vuole)

considerando che anche l’impiego di pezzi di carbone strofinati sulle superfici

delle terrecotte consentivano la visualizzazione di cricche anche molto piccole a

seguito della penetrazione della polvere fine di carbonio sul difetto.

18

Ma il progenitore per antonomasia del metodo LPI è certamente il sistema

cosiddetto “oil and whiting” (letteralmente olio e gesso in polvere) che, sul

finire del 19° secolo, registrò una grande diffusione nel controllo di componenti

dell’armamento ferroviario (in particolare ruote). In queste prime grossolane

sperimentazioni, il liquido impiegato era essenzialmente una diluizione in

cherosene di oli pesanti, nei quali i pezzi venivano completamente immersi.

Dopo la rimozione del liquido in eccesso dalla superficie e l’applicazione di una

finissima polvere di gesso sospesa in alcool (il quale evaporando piuttosto

rapidamente lasciava un deposito sottile ed uniforme di gesso), i pezzi

venivano fatti vibrare con robusti colpi di martello in modo tale che il liquido

intrappolato nelle eventuali cricche risalisse in superficie espandendosi sul

gesso.

Tuttavia, dal punto di vista dell’applicabilità industriale, un impulso decisivo

allo sviluppo del metodo fu dato dalla Magnaflux (www.magnaflux.com), società

americana che negli anni ’40 presentò il sistema di controllo LPI denominato

Zyglo basato sull’impiego di sostanze fluorescenti1 che, combinate con

opportune sostanze penetranti ed analizzate con luce ultravioletta, fornivano

inequivocabili indicazioni visibili ad occhio nudo sulla presenza di cricche ed

altri difetti superficiali. Il rapido sviluppo di questo tipo di controllo non

distruttivo venne determinato, prevalentemente, dall’utilizzo sempre più

frequente delle leghe leggere, in particolar modo nel settore aeronautico.

Infatti, poiché questo tipo di materiali non erano dotati di caratteristiche

ferromagnetiche apprezzabili, era di fondamentale importanza avere a

disposizione un valido controllo non distruttivo che fosse alternativo a quello

magnetoscopico, all’epoca già consolidato.

1 Una sostanza si definisce fluorescente se produce luce quando è sottoposta ad energia radiante quale ad esempio quella generata da raggi X o ultravioletti

19

Il metodo dei liquidi penetranti, ebbe così un notevole successo grazie alla sua

capacità di evidenziare, in maniera rapida ed affidabile, discontinuità aperte in

superficie quali cricche, porosità, ripiegature, strappi, cricche da fatica e da

trattamento termico.

Ai giorni nostri questa tecnica, pur mantenendosi concettualmente inalterata

rispetto alle primitive applicazioni citate, si avvale di prodotti e tecnologie

molto sofisticate. Tuttavia occorre non dimenticare che essa si limita a fornire

informazioni su discontinuità che risultano aperte in superficie. In caso

contrario, infatti, il liquido non potrebbe penetrare nel materiale, rendendo

impossibile la rilevazione di qualsivoglia difetto.

Perché l’ispezione LPI migliora la rilevabilità dei difetti?

Rispetto alla semplice ispezione visiva, l’impiego di liquidi penetranti rende più

agevole (o addirittura possibile) la visualizzazione dei difetti da parte

dell’operatore. Ciò è dovuto essenzialmente a due fattori:

1. il metodo LPI produce

un’indicazione che, essendo di

dimensioni significativamente

maggiori di quelle del difetto, è

molto più visibile sulla superficie

(molte cricche sono così piccole e

strette che è praticamente

impossibile rilevarle ad occhio nudo). Infatti l’occhio umano è

caratterizzato da una soglia di acuità visiva al di sotto della quale gli

oggetti non possono essere risolti (ossia due elementi distinti fisicamente

appaiono all’occhio confusi in un’unica macchia). Sebbene il valore di

tale soglia sia fisiologicamente variabile da persona a persona, in soggetti

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aventi la massima capacità visiva (ossia un visus di 10/10) la minima

dimensione di difetto rilevabile è di circa 7/100 di mm.

2. per il modo con il quale è strutturato il controllo LPI l’indicazione che si

ottiene possiede un elevato livello di contrasto rispetto alla superficie del

pezzo. Per esempio, nei controlli effettuati in luce ordinaria si impiega

una sostanza penetrante rosso brillante che emerge chiaramente sullo

sfondo della sostanza di “sviluppo” di colore bianco. Se invece si utilizza

un liquido penetrante fluorescente, questo è formulato in modo che, una

volta irradiato con una luce ultravioletta, produca delle indicazioni

luminose aventi una lunghezza d’onda che viene percepita con

particolare facilità dall’occhio umano in condizioni di buio.

Per comprendere meglio quanto appena esposto, è opportuno analizzare in

maniera più dettagliata, alcuni aspetti dell’apparato visivo umano, perché è su

di essi che si basa l’efficacia del controllo con i liquidi penetranti.

Acuità visiva dell’occhio umano

La struttura dell’apparato visivo, descritta nelle figure seguenti, comprende la

presenza di un cristallino, che funge da lente, un robusto rivestimento esterno

detto sclera, una coroide (un tessuto ricco di pigmento nero) e una retina. La

cornea, in materiale trasparente,

ricopre la parte anteriore del globo

oculare e, posteriormente ad essa,

un’estensione della coroide forma

l’iride. L’iride, che è ricca di

pigmenti ad azione schermante e di

fibre muscolari, regola la quantità di

21

luce che entra nell’occhio. Lo spazio compreso tra la cornea e l’iride è riempito

da un liquido trasparente detto umor acqueo. Dietro l’iride si trova il cristallino

e infine, l’umor vitreo, una sostanza gelatinosa che riempie il globo oculare.

La luce penetra nell’occhio attraverso la pupilla e attraversa il cristallino il

quale, variando la propria

curvatura, concentra i raggi

luminosi sulle cellule

fotorecettrici della retina.

Nella retina esistono due tipi

di fotorecettori, che, per la loro

forma, sono denominati

bastoncelli e coni. I bastoncelli

hanno un picco di sensibilità per una lunghezza d’onda di 498 nm (luce blu-

verde) e vengono utilizzati per la visione in condizioni di luce molto fioca. Essi

forniscono una percezione grossolana dei movimenti attraverso la rilevazione

di cambiamenti di intensità luminosa lungo il campo visivo.

I coni invece sono sensibili alla luce intensa e ad essi si deve la nitida visione

diurna e la percezione dei colori; pigmenti presenti in diversi tipi di coni sono

sensibili, rispettivamente, al rosso, al verde e al blu. In particolare, vengono

detti coni di tipo L quelli dotati di pigmenti rossi; essi presentano un picco di

sensibilità per una lunghezza d’onda di 564 nm. I coni di tipo M, sono dotati di

pigmenti verdi ed hanno un picco di sensibilità in corrispondenza di una

lunghezza d’onda di 533 nm, mentre i coni di tipo S, possiedono dei pigmenti

blu e manifestano il loro picco di sensibilità per una lunghezza d’onda di 437

nm.

I coni si addensano spazialmente in una depressione conica situata quasi al

centro della retina e detta fovea, in corrispondenza della quale il tessuto

nervoso è più sottile. La concentrazione dei coni, che è di circa 180.000 per

22

millimetro quadrato nella regione della fovea, diminuisce rapidamente quando

ci si pone al di fuori di essa fino a valori di circa 5000 per millimetro quadrato e

in corrispondenza del punto cieco, zona nella quale è localizzato il nervo ottico,

non sono più presenti fotorecettori.

L’acuità visiva, ovvero la capacità di distinguere due punti adiacenti nello

spazio, si deve soprattutto ai coni della fovea.

Per quanto riguarda l’altro tipo di recettori (i bastoncelli) essi sono caratterizzati

dalla presenza, nelle loro membrane, di molecole di una sostanza sensibile alla

luce: la rodopsina. L’assorbimento della luce causa la scissione di tale molecola

e, come conseguenza, si ha una variazione della differenza di potenziale fra i

due lati della membrana. Questa variazione, segnala la presenza di luce ai

neuroni vicini, i quali inviano segnali a delle cellule nervose dotate di lunghi

assoni che confluiscono assieme a formare il nervo ottico. Attraverso il nervo

ottico, i segnali raggiungono il talamo e quindi i centri di elaborazione presenti

nel cervello.

L’oftalmologia definisce acuità visiva normale la capacità di risolvere due oggetti

distinti separati da un angolo visivo di 1/60 di grado e tale limite di risoluzione

spaziale dipende dal fatto che la lente proietta ogni grado di una scena

attraverso 288 μm della retina.

In tale regione spaziale sono presenti circa 120 coni, sensibili al colore. Dunque,

se si hanno più di 120 linee bianche e nere alternate, disposte fianco a fianco in

un singolo grado dello spazio visivo, esse appariranno all’occhio umano come

una macchia grigia.

Con una semplice analisi trigonometrica, è possibile calcolare la risoluzione

dell’occhio ad una specifica distanza dal cristallino.

Nel caso di un soggetto avente una normale acuità visiva, l’angolo θ è di 1/60 di

grado. Bisecando l’angolo θ si ottengono due angoli pari a 1/120 di grado e, se si

considera il triangolo ABC, poiché è noto il valore di θ/2 e della distanza d, si

23

può determinare il segmento x/2, ovvero la massima dimensione risolvibile, per

quel valore di d, mediante la relazione:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

22θtgdx

Quando si osserva un oggetto al fine di localizzare la presenza di eventuali

difetti, la distanza d necessaria ad una analisi confortevole è di circa trenta

centimetri. Inserendo tale valore nella formula precedente, si ottiene che la

normale risoluzione dell’occhio umano è di 0.076 millimetri. Pertanto, se in

questo range l’oggetto in esame fosse costituito di linee bianche e nere alternate,

la maggior parte delle persone non riuscirebbe a percepire altro che una

indistinta macchia grigia.

Sensibilità al contrasto dell’occhio umano

Nell’esecuzione di un controllo con liquidi penetranti la sensibilità dell’occhio

al contrasto diventa di fondamentale importanza per distinguere

un’indicazione di difettosità dallo sfondo costituito dalla superficie del pezzo.

In generale, per contrasto si intende la differenza tra il colore (o la tonalità)

dell’oggetto che si sta osservando (le indicazioni nel caso del controllo LPI) e il

colore (o la tonalità) dello sfondo. Riducendo la differenza nelle tonalità di

colore, si peggiora il contrasto e, conseguentemente, diminuisce la percettibilità

dell’oggetto osservato quindi, dal punto di vista fisico, la sensibilità al

24

contrasto, può essere pensata come una misura di quanto un’immagine può

essere “sbiadita” prima che diventi indistinguibile rispetto ad un campo

uniforme circostante.

E’ stato determinato sperimentalmente che la minima differenza che l’occhio

umano può distinguere nella scala del grigio, è circa il 2% della luminosità

totale; si è altresì osservato che la sensibilità al contrasto è funzione del formato

e della frequenza spaziale delle caratteristiche dell’immagine.

Tuttavia, il legame con tali caratteristiche, non è diretto, infatti, spesso oggetti

grandi non sono più facilmente visibili di altri piccoli, a causa di un basso

livello del contrasto.

Per chiarire questi concetti, si faccia riferimento alla figura seguente nella quale

la luminosità dei pixel varia sinusoidalmente in direzione orizzontale mentre, la

frequenza spaziale, aumenta con legge esponenziale da sinistra verso destra.

Inoltre, il contrasto diminuisce con

legge logaritmica passando dal 100%

nella parte inferiore a circa lo 0,5%

nella parte superiore.

La luminosità delle linee chiare e

scure rimane costante lungo un dato

percorso orizzontale. Se la percezione

del contrasto dipendesse solo dall’effettivo contrasto dell’immagine, la

successione di barre chiare e scure alternate mostrerebbe la stessa altezza

dappertutto nell’immagine. In realtà le barre appaiono più alte nel centro

dell’immagine, a dimostrazione del fatto che anche la frequenza influenza la

sensibilità al contrasto.

Un fattore importante che

influenza la sensibilità al

25

contrasto è legato alla risposta dell’ occhio umano medio ai vari tipi di luce, che

a sua volta dipende dal tipo di fotorecettore impegnato.

Nella figura, la curva a destra, mostra la risposta dell’occhio nelle normali

condizioni di illuminazione ed è detta risposta fotopica. In tali circostanze, sono

i coni a permettere la visione, in quanto i bastoncelli diventano soprasaturi e

non trasmettono alcun segnale. La soprasaturazione, dipende dal fatto che i

bastoncelli sono molto sensibili poiché permettono la visione in condizioni di

luce fioca. La curva della risposta fotopica, presenta un picco in corrispondenza

di una luce avente lunghezza d’onda di 555 nm, il che significa, che in

condizioni di normale illuminazione, l’occhio è più sensibile ad un colore giallo-

verdastro. Viceversa, in condizioni di luce fioca, cioè in condizioni di visione

crepuscolare o notturna, la risposta dell’occhio cambia significativamente; a tale

tipo di visione, è associata una curva di risposta detta scotopica, che nella figura

si trova a sinistra.

In tali condizioni, i bastoncelli sono attivi e l’occhio è più sensibile alla luce

anche se, tuttavia, a questo incremento di sensibilità verso la luce, si

accompagna una minore sensibilità alla gamma dei colori. I bastoncelli, infatti,

pur essendo particolarmente sensibili alla luce possiedono un solo tipo di

pigmento, e questo determina una ridotta percezione dei colori.

Per quanto concerne il controllo LPI, numerosi studi hanno messo in evidenza

come la risposta dell’occhio ad un’illuminazione tipica di una cabina di

controllo per liquidi penetranti presenti un picco in corrispondenza di una

lunghezza d’onda di 550 nm il che significa che, in queste condizioni, l’occhio è

più sensibile ad un colore verde-giallastro. Ciò ha condizionato in modo

decisivo lo sviluppo di sostanze penetranti fluorescenti che, essendo in grado di

emettere luce circa a queste lunghezze d’onda fanno si che l’occhio che osserva

sia nelle condizioni di massima sensibilità e quindi aumentano (seppur in modo

indiretto) la probabilità di rilevare i difetti.

26

Schema della procedura di controllo con liquidi penetranti

In linea di principio la procedura di controllo con i liquidi penetranti è

estremamente semplice e consta di 6 passi:

1. Pulizia e preparazione della superficie da ispezionare

2. Applicazione del liquido penetrante e attesa del tempo di penetrazione

3. Rimozione del penetrante in eccesso

4. Applicazione del rivelatore

5. Osservazione della superficie ed esame delle indicazioni

6. Pulizia per riportare la superficie alle condizioni iniziali

Tuttavia ciascuna fase presenta un certo grado di criticità e possono essere

presenti alcune opzioni che devono essere valutate attentamente in ragione del

livello di sensibilità atteso, del tipo di materiale testato, del costo della prova

etc. (vedi diagramma successivo)

27

1. Pulizia

2. Applicazione Penetrante

3. Rimozione Penetrante in Eccesso

4. Applicazione Rivelatore

5. Ispezione

6. Post-pulizia

Asciugare

ApplicazionePenetrante

Tempo diAttesa

Lavare con acqua

Asciugare Rivelatore(acquoso)

AsciugareRivelatore (non acquoso)

Ispezione

Rivelatore(secco)

Risciacquo Lavaggio meccanico

Asciugare

Sgrassaturaa vapore Solvente Bagno

ad ultrasuoni

Sostanze alcaline

Pulizia meccanica Sverniciatura Ultrasuoni

Agenti chimiciSolventiVapore Sgrassaggio

28

1. Preparazione della superficie

Uno dei passi più critici nel processo di analisi coi liquidi penetranti, è la

preparazione della superficie da testare.Tutti gli elementi estranei al pezzo quali

vernici, sporcizia, residui di fusione, lacche, olii, placcature, grassi, ossidi, cere,

decalcomanie, ruggine, residui di eventuali precedenti controlli con liquidi

penetranti, ecc. devono essere accuratamente rimossi in modo che gli eventuali

difetti presenti abbiano sbocco sulla superficie. Infatti rivestimenti quali la

vernice, per esempio, essendo molto più elastici del metallo non si fratturano

anche se appena sotto di essi vi è un grosso difetto. Inoltre se le parti da

analizzare sono state lavorate di recente alle macchine utensili, è possibile che

sulla superficie siano presenti dei ricalcamenti di metallo che ostruiscono lo

sbocco dei difetti alla superficie. In tal caso lo strato di metallo deve essere

rimosso prima del controllo. Invece altri agenti, come ad esempio i residui di

precedenti controlli con liquidi penetranti precedenti pur avendo un effetto

meno evidente, possono ugualmente pregiudicare l’esame in maniera

determinante. Per questi motivi si rende fondamentale eseguire un’accurata

pulizia della superficie da esaminare. La pulizia può essere effettuata con

metodi meccanici (ad es. spazzolatura, smerigliatura, sabbiatura ecc.) chimici

(solventi o prodotti analoghi) o, più frequentemente, con una combinazione di

entrambi.

Tuttavia è importante selezionare il metodo e le sostanze opportune affinché

esse non abbiano ad interferirei in alcun modo con l’esito del test; ad esempio, è

stato osservato che alcuni prodotti alcalini possono alterare i risultati se

contengono silicati in concentrazioni superiori allo 0,5%. In particolare, il

metasilicato di sodio, il silicato di sodio e i silicati in generale, possono aderire

alla superficie da esaminare formando un rivestimento che impedisce al liquido

penetrante di entrare nei difetti. Anche alcuni saponi domestici e detersivi

29

commerciali possono ostruire i difetti e/o ridurre la bagnabilità del metallo,

riducendo così la sensibilità dell’esame. Quando si devono analizzare materiali

teneri, occorre prestare attenzione anche ai lavaggi con acqua bollente perché

potrebbero dar luogo a deformazioni potenzialmente in grado di ostruire i

difetti.

Al termine della pulizia la superficie deve risultare asciutta e pulita, in modo

tale da fornire un substrato ottimale alla successiva fase di applicazione del

liquido.

2. Applicazione del liquido penetrante

Generalità

Le sostanze che vengono attualmente impiegate nelle ispezioni LPI sono

certamente molto più sofisticate del kerosene e della polvere di gesso impiegate

nel secolo scorso per ispezionare i componenti ferroviari e grande cura si pone

nella realizzazione di formulazioni tali da conseguire il livello di sensibilità

desiderato dall’operatore.

Da un punto di vista assolutamente generale, tutte le sostanze penetranti

devono essere caratterizzate da alcuni requisiti base:

• Devono essere facilmente spruzzabili sulla superficie per fornire una

copertura totale ed uniforme

• Devono poter essere drenate dal difetto per azione capillare

• Devono restare intrappolate all’interno del difetto ma nel contempo

essere facilmente rimovibili dal resto della superficie.

• Devono restare fluide durante tutta la durata della prove per poter essere

richiamate alla superficie durante la fase di sviluppo

• Devono essere altamente visibili (o fluorescenti) per poter produrre

indicazioni facilmente rilevabili

30

• Non devono essere pericolose o nocive per l’operatore che le maneggia

Non tutti i tipi di penetrante svolgono lo stesso tipo di azione (e non sono

nemmeno progettati per farlo) e, nel tempo, le aziende produttrici hanno

sviluppato una varietà di prodotti che si indirizzano alle più diverse

applicazioni industriali. Alcune di queste richiedono la rilevabilità di difetti il

più piccoli possibile, mentre in altre la dimensione limite per l’accettabilità del

difetto può essere più elevata e dunque la composizione del penetrante dovrà

essere adeguata di conseguenza, considerato che se il penetrante è

estremamente “sensibile”, la prova sarà affetta dalla presenza di un

elevatissimo numero di indicazioni irrilevanti.

Le caratteristiche dei materiali penetranti sono definite e classificate in

numerose specifiche industriali e governative: attualmente negli USA la

specifica di riferimento è la AMS2 2644 tuttavia, storicamente, il primo

documento compiuto sulle sostanze LPI è stato il Military Standard 25135.

Esistono anche normative più settoriali (come ad esempio la norma ASTM3

1417 o altre) ma queste spesso si rifanno in modo più o meno esteso agli

standard precedentemente citati.

Scelta del tipo di penetrante

La scelta dei materiali da impiegare per l’esecuzione di un controllo coi liquidi

penetranti può avvenire solo dopo la valutazione di una serie di fattori che

riguardano la sensibilità richiesta, il tipo di materiale da testare, il numero dei

componenti da testare, l’estensione della superficie da controllare e la

portabilità poiché, come già accennato, esiste una grande varietà di penetranti e

sviluppatori ciascuno dei quali è maggiormente indicato per specifiche

applicazioni.

2 Aerospace Material Specification 3 American Standard for Testing Materials

31

Usualmente le sostanze penetranti si classificano in due grandi categorie:

• Tipo 1 – Penetranti fluorescenti

• Tipo 2 – Penetranti visibili

Nei penetranti visibili, alla sostanza base viene aggiunta una certa quantità di

pigmento rosso in modo tale da garantire una colorazione sufficientemente

intensa anche quando la quantità di penetrante coinvolta nella formazione

dell’indicazione è ridotta (è questo il caso delle discontinuità strette e poco

profonde). Invece i penetranti fluorescenti contengono una o più sostanze che si

illuminano quando sono sottoposte all’azione della luce ultravioletta, fornendo

così chiare e nitide indicazioni luminose su sfondo scuro quando i pigmenti

sono sottoposti all’azione di una radiazione ultravioletta (lampada di Wood).

Dunque, quando il requisito più importante del controllo è la sensibilità, la

prima opzione da valutare è se conviene usare un penetrante fluorescente

oppure uno visibile, tenendo in considerazione la possibilità di ottenere un

risultato estremamente “rumoroso” se la superficie è porosa o molto rugosa.

In generale si può affermare che per indicazioni scure di diametro superiore a

0,076 millimetri avere un contrasto più o meno elevato è, di fatto, ininfluente

ma se l’indicazione è caratterizzata da un diametro inferiore a tale valore essa

non è rilevabile anche se si ha uno sfondo chiaro ed un altro contrasto, mentre

risulterà apprezzabile se l’indicazione è chiara su sfondo scuro.

Appare dunque chiaro che un liquido penetrante fluorescente è superiore ad

uno visibile quando si vogliono individuare difetti di dimensioni ridotte.

Viceversa, quando l’esame è volto all’individuazione di difetti relativamente

grandi e non è necessaria un’elevata sensibilità che darebbe luogo a numerose

indicazioni irrilevanti, oppure quando la rugosità della superficie da analizzare

è elevata o i difetti sono situati in zone particolari quali i giunti saldati, i

penetranti visibili si dimostrano certamente più indicati.

32

Peraltro questi ultimi non necessitano di un ambiente buio in cui effettuare

l’analisi delle indicazioni con luce ultravioletta e, pertanto, sono anche più

semplici da utilizzare.

Un’ulteriore classificazione dei penetranti che si basa sulle loro caratteristiche di

sensibilità è la loro abilità a mettere in evidenza discontinuità piccole e sottili,

che, in generale, possono porre dei problemi per quanto attiene il loro

rilevamento a causa della difficoltà del liquido a penetrare e della modesta

quantità di sostanza che concorre a formare l’indicazione. La capacità di

penetrazione, infatti, diminuisce quanto più la composizione del penetrante si

allontana dalle condizioni “naturali”, rappresentate dalla base derivata dal

petrolio. A tale proposito è importante osservare che l’aggiunta di eccipienti,

quali pigmenti ed agenti emulsificanti, rende il prodotto più “carico”, e quindi

di più difficoltosa introduzione in cricche sottili.

Per tale motivo, i penetranti fluorescenti sono solitamente caratterizzati da

prestazioni superiori a quelli colorati poiché, per assicurare la visibilità, essi

richiedono una minore quantità di sostanza fluorescente rispetto a quella

colorata. In altre parole, il penetrante fluorescente è meno “carico” di quello

colorato e dunque, possiede una mobilità superiore, che gli permette di inserirsi

più facilmente di un penetrante colorato nelle fenditure sottili.

In sostanza, i penetranti rimovibili con solvente e quelli post-emulsificabili sono

avvantaggiati rispetto a quelli autolavanti. In assoluto, i penetranti migliori

sono quelli rimovibili con solvente, infatti i penetranti post-emulsificabili, non

contengono l’emulsificante nella fase di penetrazione, mentre lo possiedono

nella fase di assorbimento che, per questo motivo, può essere meno agevole.

I penetranti rimovibili con solvente, invece, mantengono le loro caratteristiche

invariate sia nella fase di penetrazione che in quella di assorbimento.

33

Riassumendo, la sensibilità nei confronti di discontinuità sottili e poco

profonde, cresce passando dai penetranti colorati a quelli fluorescenti e, in

ciascuna categoria, da quelli autolavanti a quelli rimovibili con solvente.

Per classificare i penetranti in base alla sensibilità, si fa spesso ricorso alla scala

sintetica messa a punto dalla US Air Force Materials Laboratory che definisce 5

livelli di sensibilità

• Livello 1/2 – Sensibilità ultra-bassa

• Livello 1 – Sensibilità bassa

• Livello 2 – Sensibilità media

• Livello 3 – Sensibilità alta

• Livello 4 – Sensibilità ultra-alta

La procedura impiegata per definire questa scala fa uso di provini in titanio ed

Inconel caratterizzati dalla presenza di cricche superficiali prodotte a seguito di

azioni di fatica a basso numero di cicli. La luminosità proveniente da ciascun

difetto individuato è stata misurata sperimentalmente con un fotometro.

Procedura operativa per l’applicazione dei penetranti

Dal punto di vista operativo, l’applicazione del penetrante sulla superficie da

testare può essere realizzata mediante spruzzatura, spennellatura o

immersione. La spruzzatura

mediante bombolette spray risulta

essere certamente il sistema più

semplice e portabile e garantisce una

certa facilità di stoccaggio, tuttavia quando la geometria del pezzo è

particolarmente complessa e si potrebbero avere delle difficoltà a raggiungere

col getto alcune regioni di interesse, l’immersione è il solo sistema in grado di

assicurare la massima uniformità di applicazione. In generale, di per sé il

metodo scelto non influenza la sensibilità del controllo tuttavia, risultati

34

lievemente migliori sono stati riscontrati nel caso di applicazioni tramite

spruzzatura elettrostatica. In ogni caso è vitale che il penetrante costituisca uno

strato uniforme esteso a tutta la superficie da esaminare. Nel caso di zone di

ampiezza limitata (come ad es. saldature), l’area ricoperta dal liquido deve

estendersi per circa 25 mm oltre il margine delle zone stesse.

3. Tempo di penetrazione

Una volta che la parte da esaminare è stata ricoperta occorre attendere un certo

lasso di tempo, detto tempo di penetrazione, che è necessario a consentire il

massimo assorbimento possibile per capillarità da parte del difetto.

Esistono, fondamentalmente, due modi di trattare il pezzo nella fase di

penetrazione: il primo, consiste nel mantenere il pezzo immerso nel penetrante

durante tale tempo mentre il secondo non prevede apporto di ulteriore

penetrante. Inizialmente, il primo metodo veniva considerato come più

sensibile, anche se meno economico perché si doveva lavare via più penetrante

in eccesso. Il ragionamento che portava a considerare tale metodo più sensibile

era che il penetrante si mantenesse più fluido e, quindi, più mobile in quanto

non perdeva per evaporazione i componenti volatili e, a motivo di ciò, ci fosse

una maggiore probabilità di riempimento dei difetti. Tuttavia successive

sperimentazioni hanno dimostrato il contrari infatti il penetrante a contatto con

l’atmosfera fa evaporare i componenti volatili, e di conseguenza aumenta la

concentrazione di pigmenti nei difetti che dunque sono potenzialmente più

visibili. Il tempo di penetrazione, che solitamente è suggerito dai produttori

oppure dalle norme adottate, è funzione di parametri quali:

• Tensione superficiale del liquido penetrante

• Angolo di contatto del liquido penetrante

• Viscosità del liquido penetrante

• Pressione atmosferica all’apertura del difetto

35

• Pressione capillare

• Pressione del gas bloccato nel difetto

• Raggio del difetto o distanza fra le pareti del difetto

• Densità del liquido penetrante

• Proprietà microstrutturali del liquido penetrante

Il tempo di penetrazione ideale può essere stabilito anche tramite esperimenti

specifici per l’applicazione che si deve effettuare ma, in generale, è sempre

compreso tra i 5 e i 60 minuti. Anche se di solito non è dannoso prolungare il

tempo di penetrazione oltre quello raccomandato, con alcune sostanze esiste il

rischio che si verifichino principi di essiccamento che potrebbero rendere

difficoltosa la fuoriuscita del penetrante stesso nella fase di assorbimento da

parte del rivelatore.

Nella seguente tabella sono riportati, a titolo di esempio, i requisiti ed il tempo

di penetrazione di differenti penetranti, per provini in acciaio.

Norma di riferimento Tipo di pezzo Discontinuità

Tempo di penetrazione per penetrante

autolavante (minuti)

Tempo di penetrazione per penetrante post-emulsificabile

(minuti) Getti Porosità 5-10 10

Estrusi/Forgiati Ricalcamenti NR4 10 Mancanza di

fusione 30 20 Saldature Porosità 30 20 Cricche 30 20

Military-Technical-

Order-33B-1-1

Tutti Cricche da fatica NR 30 Getti Porosità 30

Estrusi/Forgiati Ricalcamenti 60 Mancanza di

fusione 60 Saldature Porosità 60

ASME-Boiler-and-Pressure-Vessel-Code

Tutti Cricche 30 Getti Porosità 5 5

Estrusi/Forgiati Ricalcamenti 10 10 Mancanza di

fusione 5 5 Saldature Porosità 5 5

ASTM-E-1209/-E-1210

Tutti Cricche 5 5

4 NR: Tempo non suggerito per tale metodo di esame

36

Al termine del tempo di penetrazione, si deve procedere alla rimozione di tutto

il penetrante che non sia quello intrappolato nelle discontinuità.

4. Rimozione del penetrante in eccesso

Questa è l’operazione più delicata e

critica dell’intero processo di

ispezione LPI, poiché l’eccesso di

penetrante che è presente sul

componente deve essere rimosso

totalmente ma allo stesso tempo

occorre prestare molta attenzione a non eliminare anche porzioni di liquido

intrappolate nei difetti.

Poiché i liquidi penetranti sono prodotti a base di petrolio, essi non possono

essere asportati agendo direttamente con l’acqua e dunque la loro rimozione

dalla superficie del pezzo richiede una delle seguenti condizioni:

• l’impiego di un solvente capace di sciogliere il penetrante

• l’emulsificazione del penetrante (tramite l’aggiunta di una sostanza

chiamata agente emulsificante che lo renda asportabile da un lavaggio

con acqua).

Quindi, la normativa classifica i penetranti (per quanto concerne il metodo di

rimozione) in:

• Metodo A – Lavabile con acqua

• Metodo B – Post emulsificabile, lipofilo

• Metodo C – Rimovibile con solvente

• Metodo D – Post emulsificabile, idrofilo

Se il liquido penetrante non incorpora l’agente emulsificante, come detto, esso

non può essere rimosso con l’acqua e pertanto deve essere sciolto con un

solvente oppure mediante l’aggiunta di tale agente. L’applicazione

37

dell’emulsificante, può essere compiuta dopo l’applicazione del penetrante

sulla superficie e prima dell’applicazione del rivelatore. Un penetrante che

necessita dell’aggiunta, da parte dell’operatore, dell’emulsificante, è detto post-

emulsificabile.

Nel caso in cui l’agente emulsificante venga aggiunto al penetrante dal

fabbricante all’atto della produzione, il penetrante si definisce autolavante

(metodo A).

In questo caso il penetrante (indicato anche come “auto-emulsificante”) può

essere rimosso con della semplice acqua corrente. I penetranti appartenenti alla

categoria dei post-emulsificabili (metodi B e D) possono essere lipofili od

idrofili a seconda che la sostanza sia solubile nell’olio o solubile nell’acqua.

I prodotti post-emulsificabili lipofili (sia penetranti che emulsificanti), sono

costituiti da sostanze a base oleosa e vengono forniti pronti all’uso, mentre

quelli idrofili, che utilizzano come emulsionante un detersivo solubile in acqua,

sono commercializzati sotto forma di concentrato da diluire in acqua prima

dell’uso.

Gli emulsionanti lipofili, sono stati introdotti verso la fine degli anni ‘50 ed

esplicano sul penetrante, sia un’azione chimica che un’azione meccanica; infatti,

dopo che l’emulsificante ha ricoperto il penetrante, tramite l’azione meccanica

di un getto d’acqua è possibile rimuovere il penetrante in eccesso perché

durante il tempo di emulsificazione l’emulsionante diffonde nel penetrante

trasformandolo in un penetrante del tipo autolavante. Anche gli emulsionanti

idrofili, rimuovono il penetrante in eccesso con una duplice azione meccanica e

chimica, solo che l’azione chimica è differente, infatti, in tal caso non si hanno

fenomeni di diffusione.

38

Gli emulsionanti idrofili, di base, sono dei detersivi che contengono solventi e

agenti tensioattivi. Essi frammentano lo strato di penetrante in minuscole

goccioline e impediscono che queste si ricongiungano fra loro o si riattacchino

alla superficie. Successivamente, tali goccioline vengono rimosse dall’azione di

un getto d’acqua.

Gli emulsificanti idrofili, introdotti a metà degli anni 70, si sono dimostrati

subito più efficaci di quelli lipofili, tanto da renderli obsoleti; il loro principale

vantaggio è una ridotta sensibilità alle variazioni del tempo di rimozione e

contatto.

Tuttavia, è sempre importante controllare il tempo di emulsificazione, ovvero il

tempo per cui si lascia agire l’emulsificante poichè questo si dispone sul

penetrante e si muove verso la superficie del pezzo, andando ad emulsificare lo

strato di penetrante sottostante. Controllando il tempo di emulsificazione, si fa

in modo da emulsificare solo il penetrante che sta in superficie e non quello che

si trova nei difetti che, per questo motivo, non sarà lavabile con l’acqua e

rimarrà nelle fessure in cui si era precedentemente disposto. Riassumendo,

tempi di emulsificazione troppo brevi non permettono la rimozione di una

adeguata quantità di penetrante in eccesso, mentre al contrario tempi troppo

lunghi possono portare all’emulsificazione anche del penetrante contentuto nei

39

difetti ed al loro conseguente svuotamento. Quando si ritiene che il tempo

trascorso sia tale da aver garantito la corretta emulsificazione del penetrante

superficiale, la rimozione può essere effettuata con un getto d’acqua.

Difetto pieno

Penetrante in eccesso

Difetto

Applicazione emulsificante

Emulsificante

Diffusione dell’ emulsificante Rimozione penetrante in eccessoSoluzione di penetrante

ed emulsificante

Penetrante non emulsificato

Penetrante non emulsificato

Getto d’acqua

Difetto pieno

Penetrante in eccesso

Difetto

Applicazione emulsificante

Emulsificante

Diffusione dell’ emulsificante Rimozione penetrante in eccessoSoluzione di penetrante

ed emulsificante

Penetrante non emulsificato

Penetrante non emulsificato

Getto d’acqua

Nel metodo D, invece, la rimozione richiede l’utilizzo di un solvente. La fase di

rimozione del penetrante in eccesso è piuttosto critica poiché lavaggi incompleti

sono causa della formazione di indicazioni non rilevanti che si formano nelle

zone poco pulite. Da ciò può derivare la difficoltà a percepire le indicazioni

provenienti da discontinuità molto piccole e, in generale, una ridotta efficacia

dell’esame.

Proprietà che influenzano l’efficacia di un penetrante

Dopo aver analizzato e discusso le caratteristiche principali che rendono un

liquido penetrante efficace, è importante esaminare da quali parametri esse

dipendono e tra queste citiamo:

• La capillarità

• La tensione superficiale e la capacità di bagnare la superficie

• La densità

• La viscosità

40

• La soglia dimensionale di fluorescenza

• La stabilità ultravioletta e termica

• L’amovibilità

Capillarità, bagnabilità e tensione superficiale

Il principio fondamentale sul quale si basa il metodo LPI, è la penetrazione di

una sostanza liquida, per azione capillare, all’interno dei difetti che sfociano in

superficie.

La capillarità può essere immaginata come una sorta di forza aggiuntiva che

spinge il liquido attraverso le fessure strette, agevolandone la penetrazione

all’interno. Tale fenomeno può essere facilmente messo in evidenza attraverso

l’esperienza riportata in figura:

D1 D2 D3D1 D2 D3

Tre tubi, di diametro diverso, sono immersi in un recipiente contenente un

liquido: nel tubo di diametro maggiore il liquido si porta alla stessa altezza del

suo pelo libero nel recipiente; nel tubo di diametro medio sale un po’ oltre il

livello del pelo libero mentre, nel tubo di piccolo diametro, sale

apprezzabilmente oltre. Questo comportamento, che si manifesta solo nei tubi

di piccolo diametro ed in modo tanto più evidente quanto più piccolo è il

diametro, ha origine dalla mutua interazione delle molecole del fluido tra loro e

41

con il recipiente nel quale vengono immesse. In particolare si definisce forza di

coesione la risultante delle forze di interazione molecolare su una molecola se

questa si sviluppa fra molecole identiche) o forza di adesione se si sviluppa fra

molecole diverse

forze di coesione ⇒ tengono insieme le sostanze

forze di adesione ⇒ fanno attrarre s cqu u

La condizione di equilibrio di un

fluido in presenza di più sostanze è

contatto con la parete solida del contenito

ostanze diverse (a a s vetro

determinata dalla reciproca

intensità delle forze di adesione e

coesione. Si prenda in esame, ad

esempio, il caso di un fluido a

re (acqua in un bicchiere a contatto

con l’aria). Le molecole di un liquido in vicinanza della parete sentono la forza

di coesione del fluido Fc diretta verso l’interno del fluido, la forza di adesione

liquido-gas Fa,a , diretta verso l’interno del gas, la forza d adesione liquido-

solido Fa,s , diretta verso l’ interno del solido. La Fa,a è così debole da poter essere

trascurata. Le restanti due forze, vista la loro direzione e verso, non possono

avere risultante nulla, quindi all’equilibrio la superficie libera del fluido deve

essere ortogonale alla risultante delle forze agenti.In definitiva si possono avere

due casi:

42

Fa > Fc Fa < Fc

el primo caso l’angolo Φ formato tra la tangente al menisco nel punto di

pi di angoli risultanti tra diversi accoppiamenti solido-liquido sono

cqua-vetro (A) Φ = 0°

°

in questo caso si ha innalzamento del in questo caso si ha allontanamento del liquido lungo la parete e si dice che il liquido “bagna la superficie”

liquido dalla parete e si dice che il liquido “non bagna la superficie”

N

contatto e la direzione della parete è minore di 90°, mentre nel secondo caso è

maggiore.

Alcuni esem

riportati di seguito:

A

Benzina-vetro Φ = 26

Acqua-paraffina Φ = 107°

Acqua-teflon (B) Φ = 127°

Mercurio-acqua Φ = 140°

43

In sintesi, nel momento in cui il liquido penetrante viene depositato sulla

superficie da testare, se all’interfaccia solido-liquido la forza con cui le molecole

del liquido sono attratte da quelle della superficie solida (“bagnatura”), è

superiore alla forza con cui le molecole si attraggono tra di loro (“tensione

superficiale”) cioè le forze adesive sono più forti di quelle coesive, il liquido

bagnerà la superficie. Al contrario, se la forza con cui le molecole si attraggono

tra di loro è superiore alla forza con cui la superficie attrae le molecole, il

liquido rimarrà sotto forma di gocce e non bagnerà la superficie stessa.

Pertanto, tensione superficiale e bagnatura agiscono in senso opposto, ma nei

liquidi penetranti è necessario che prevalga la bagnatura. Affinché un liquido

penetrante sia efficace dovrebbe avere un angolo di contatto il più piccolo

possibile. Infatti, nella realtà, tale angolo, per la maggior parte dei penetranti, è

molto vicino al valore di zero gradi. Appare intuitivo che un buon liquido

penetrante debba possedere ottime caratteristiche di bagnabilità, in modo tale

da ricoprire liberamente la superficie dell’oggetto in esame, e non presentarsi

sotto forma di goccioline.

Si ricorda, per completezza, che la tensione superficiale (γ) è definita come l’energia

richiesta per aumentare l’area della superficie del liquido di una unità (si misura

pertanto in J/m2 oppure in N/m)

44

Il liquido penetrante, come già accennato in precedenza, è guidato all’interno

della fessura dall’azione della forza capillare F; essa è funzione della tensione

superficiale all’interfaccia liquido-gas, dell’angolo di contatto e di parametri

geometrici relativi alla fessurazione. In particolare, per un difetto a geometria

cilindrica, si ha:

θσπ cos2 LGrF =

dove

r raggio dell’apertura σLG tensione superficiale all’interfaccia liquido – gas θ angolo di contatto

è possibile definire anche una “pressione capillare” (pc), ottenuta dal rapporto

tra la forza capillare e l’area su cui essa agisce. Nel caso particolare di un tubo a

sezione circolare si ha:

rrr

p LGLGc

θσπ

θσπ cos2cos22 ==

Sebbene le suddette equazioni, siano state espresse nel caso semplice di un

difetto a geometria cilindrica, è bene sottolineare che le relazioni tra le variabili

permangono anche in casi più generali. Tuttavia si deve tener presente che

l’espressione della pressione capillare è valida solo quando esiste un contatto

simultaneo del penetrante su tutta la lunghezza dell’apertura, e la superficie del

liquido risulti essere equidistante dalla superficie del pezzo. Occorre, peraltro,

ricordare che talvolta, la superficie del liquido penetrante può presentarsi

irregolare a causa della particolare conformazione delle pareti del difetto e, in

questo caso la pressione capillare è espressa dalla seguente relazione

( )rr

p SLSGc

∑=−

=22 σσ

45

nella quale

σSG Tensione superficiale all’interfaccia solido–gas σSL Tensione superficiale all’interfaccia solido–liquido r Raggio dell’apertura Σ (=σSG -σSL ) Tensione di adesione

Quindi in alcuni casi è la tensione di adesione (ossia la forza che si manifesta

sulla linea di contatto liquido-solido in direzione del solido) ad essere la

principale responsabile del movimento del liquido penetrante nel difetto e non

la tensione superficiale all’interfaccia liquido-gas. È importante sottolineare che

la bagnabilità del liquido penetrante, decade considerevolmente quando la

tensione di adesione è la forza di azionamento primaria.

Osservando le equazioni, si può anche notare come le caratteristiche di

bagnabilità del liquido penetrante, siano fondamentali per il riempimento del

difetto; infatti il liquido penetrante, continua a riempire il difetto finché non si

manifesta una forza che contrasta la forza capillare. Questa forza, solitamente, è

data dalla pressione del gas che rimane intrappolato nel difetto a causa del fatto

che esso comunica con l’esterno solo da una parte. Infatti, il gas che è presente

in esso viene intrappolato dal penetrante, attraverso il quale non può passare, e

compresso contro il lato chiuso del difetto.

Poiché l’angolo di contatto dei liquidi penetranti è molto prossimo allo zero,

sono stati formulati vari metodi per valutare le loro caratteristiche di

bagnabilità, il più semplice dei quali consiste nel misurare l’altezza che un

liquido raggiunge in un tubo capillare. Tuttavia, l’interfaccia solida in tale

metodo è, in genere, di vetro e pertanto, non riproduce adeguatamente la

superficie su cui il penetrante dovrà agire nella pratica.

Un altro metodo consiste nel misurare, dopo un certo tempo, il raggio, il

diametro oppure la superficie, della macchia che si forma dopo aver versato

46

una goccia di liquido sulla superficie di prova. Utilizzando tali metodi,

influiscono sull’esito della prova anche altri parametri, quali la densità, la

viscosità e la volatilità che non compaiono nelle equazioni di capillarità, ma

sono ugualmente importanti.

Densità

La densità ρ (o peso specifico), rappresenta la massa per unità di volume di un

materiale e si misura in [Kg⋅m-3].

È stato osservato che la densità ha un effetto trascurabile sulle prestazioni dei

liquidi penetranti, tuttavia è importante sottolineare che la forza gravitazionale,

può agire a favore o contro la forza capillare secondo l’orientamento che

possiede il difetto nella fase di penetrazione.

In entrambi i casi, il modulo della forza peso (Fp) del liquido penetrante, si

calcola con la seguente formula:

ghrFp ρπ 2=

nella quale:

r raggio dell’apertura h altezza della colonna di liquido penetrante ρ densità del liquido penetrante g accelerazione di gravità

La forza così ottenuta deve essere sommata alla forza capillare, quando è

concorde con essa, perché in tal caso favorisce la penetrazione del liquido,

mentre andrà sottratto se è discorde, perché, al contrario di prima, ostacola la

penetrazione.

Viscosità

La viscosità dinamica μ [Pa⋅s] rappresenta il coefficiente di proporzionalità tra

gli sforzi tangenziali τ esistenti in un fluido in moto e la variazione di velocità in

47

direzione normale a quella del moto. La relazione che descrive tale fenomeno è

la legge di Newton espressa come segue:

yv

ΔΔ

= μτ

Dove:

τ sforzo di taglio presente nel fluido μ viscosità dinamica

yv

ΔΔ variazione di velocità nella direzione y (normale a quella del moto)

Esiste anche un altro tipo di viscosità, detta cinematica e così definita:

ρμν =

con:

μ viscosità dinamica ρ densità

La viscosità, ha un effetto trascurabile sulla capacità di un liquido penetrante di

insinuarsi nei difetti mentre, influisce sulla velocità di riempimento degli stessi.

A questo riguardo è possibile osservare che il tempo di penetrazione T per un

vuoto cilindrico e per uno ellittico, può essere ricavato utilizzando le seguenti

formule:

48

l a

b

l r

Vuoto cilindrico:

LGrlTθσμ

cos2 2

=

Vuoto ellittico:

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅+

+⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

abbabalT

LG

222

cos2

θσμ

Dove:

l profondità del difetto μ viscosità dinamica r raggio della fessura σLG tensione superficiale all’interfaccia liquido-gas θ angolo di contatto a larghezza del difetto b larghezza del difetto

Osservando tali equazioni, si può osservare come il tempo di penetrazione sia

direttamente proporzionale alla viscosità μ; inoltre in nessuna delle due

espressioni si tiene conto del gas intrappolato nei difetti chiusi ad una estremità.

49

Soglia dimensionale della fluorescenza

La soglia dimensionale della fluorescenza rappresenta lo spessore minimo che

lo strato di penetrante deve avere per formare un’indicazione visibile.

Sebbene tale parametro non sia attualmente regolato in alcun modo dagli

standard tecnici, esso sembra essere molto importante nei confronti della

sensibilità di un liquido penetrante fluorescente, ed esiste un esperimento, che

permette di comprendere tale aspetto.

Due lastre piane di vetro, sulle quali in precedenza è stata disposta una goccia

di penetrante fluorescente vengono premute fortemente una contro l’altra. Il

liquido, in seguito alla pressione, si espande sulla superficie delle lastre ma, una

volta esposto alla luce nera, non manifesta alcuna fluorescenza. Tale fenomeno,

apparentemente paradossale, non è stato compreso completamente fino al 1960,

quando venne introdotto il concetto della transizione delle pellicole sottili per la

risposta della fluorescenza.

Le tipiche dimensioni dei difetti, corrispondono alle soglie dimensionali della

risposta di fluorescenza, che sono caratteristiche di ciascun liquido penetrante.

Il grado della risposta di fluorescenza dipende dall’assorbimento delle

radiazioni ultraviolette e questo, a sua volta, dipende dalla concentrazione dei

pigmenti fluorescenti e dallo spessore della pellicola di liquido. Di

conseguenza, la capacità di un liquido penetrante di visualizzare

un’indicazione, dipende soprattutto dalla sua capacità di essere fluorescente

nelle condizioni di pellicola sottile.

Le prestazioni dei liquidi penetranti, possono essere previste facendo

riferimento alla seguente equazione che, tuttavia, non tiene conto del fatto che il

liquido opera nelle condizioni di pellicola sottile. CtxeII λ−= 0

50

Dove:

I intensità della luce emessa I0 intensità della luce incidente λ coefficiente di assorbimento per unità di concentrazione C concentrazione dei pigmenti fluorescenti t spessore dello strato assorbente

Qundi l’intensità dell’energia trasmessa risulta essere direttamente

proporzionale all’intensità della luce incidente e variabile esponenzialmente

con lo spessore dello strato di penetrante e la concentrazione di pigmenti. Di

conseguenza, aumentando la concentrazione dei pigmenti, la luminosità di un

sottile strato di penetrante aumenta. Tuttavia, la concentrazione di pigmenti

non può essere aumentata oltre una certa soglia, perché valori troppo elevati

potrebbero penalizzare la luminosità stessa.

Stabilità ultravioletta e termica delle indicazioni

L’esposizione a luce ultravioletta intensa ed a temperature elevate può avere un

effetto negativo sulle indicazioni ottenute con liquidi penetranti fluorescenti,

infatti le sostanze fluorescenti possono perdere la loro luminosità dopo un

periodo di esposizione a luce ultravioletta ad alta intensità.

Ciò può essere dimostrato con un esperimento che consiste nel misurare

l’intensità delle indicazioni fluorescenti di un campione che è stato sottoposto a

cicli multipli di esposizione ai raggi ultravioletti. Ogni ciclo consiste in 15

minuti di esposizione ad una luce ultravioletta di 800 microwatt/cm2 e di 2,5

minuti ad una di 1500 microwatt/cm2. I risultati mostreranno che le indicazioni

esaminate sono sbiadite in seguito all’eccessiva esposizione.

Anche la temperatura elevata può avere degli effetti negativi sui liquidi

penetranti, infatti, il calore eccessivo può:

51

• far volatilizzare i componenti volatili, aumentare la viscosità ed avere

effetti negativi sul grado di penetrazione

• alterare le caratteristiche dell’emulsionante

• far evaporare dei prodotti chimici che impediscono la separazione e la

gelificazione dei penetranti solubili in acqua

• neutralizzare la fluorescenza dei pigmenti del penetrante

Quest’ultimo meccanismo di degradazione, coinvolge direttamente le molecole

dei materiali penetranti. Ricordiamo che il fenomeno della fluorescenza

coinvolge gli elettroni delocalizzati in una molecola che non sono implicati in

un dato legame fra due atomi. Quando la molecola riceve una quantità di

energia sufficiente, questi elettroni passano ad un livello energetico più elevato.

Pochi istanti dopo l’eccitazione, gli elettroni tornano al livello energetico di

partenza emettendo un’energia più bassa di quella che avevano ricevuto. Tale

perdita di energia, può riguardare sia un processo “radioattivo” come la

fluorescenza, sia un processo “non-radioattivo”. I processi non-radioattivi,

includono un’attenuazione delle collisioni fra molecole, il rilassamento termico

e reazioni chimiche. Il calore, fa aumentare il numero degli scontri molecolari

con conseguente attenuazione dell’entità degli stessi e, come risultato, si ha una

minore fluorescenza.

Tale spiegazione è valida solo quando sia il componente in esame che il liquido

penetrante sono ad alta temperatura. Al ripristinarsi della temperatura entro

valori normali, la fluorescenza si ripresenta invariata.

In generale, i danni termici si manifestano quando i liquidi penetranti

fluorescenti sono riscaldati sopra 71 °C. Se si ha un riscaldamento ma la

temperatura si mantiene sotto tale valore, la sensibilità del controllo può invece

addirittura migliorare.

Alcuni liquidi penetranti attualmente in uso, sono formulati con componenti ad

elevato punto di ebollizione, cosicché presentano una migliore resistenza ai

52

danni dovuti al calore. Nonostante ciò, è ancora possibile rilevare una perdita di

luminosità se il liquido penetrante è esposto alle alte temperature per un lungo

periodo.

Durante l’esame di liquidi penetranti termoresistenti, si è rilevata una riduzione

di luminosità del 20% dopo che il materiale è rimasto per 273 ore ad una

temperatura di 163°C. I liquidi penetranti fluorescenti comunemente utilizzati,

cominciano la decomposizione a 71°C e in prossimità di 94°C si ha

un’attenuazione quasi totale della fluorescenza in seguito alla sublimazione dei

pigmenti fluorescenti.

Amovibilità

La rimozione del liquido penetrante in eccesso dalla superficie in esame (ma

non dai difetti) è una delle fasi più critiche del controllo coi liquidi penetranti.

Il liquido penetrante, infatti, deve essere rimosso completamente dalla

superficie del componente in esame poiché potrebbe dar luogo a false

indicazioni o limitare la visibilità di eventuali piccoli difetti. Perché questo sia

possibile, le forze adesive (cioè le forze che si instaurano tra superficie del pezzo

e il liquido) non devono essere così forti da non permettere la rimozione coi

metodi comunemente utilizzati. Tuttavia, perché il liquido abbia una buona

bagnabilità, le forze adesive devono vincere le forze coesive (cioè le forze

intermolecolari che tengono assieme il liquido), pertanto occorre una

formulazione adeguata che garantisca un giusto rapporto fra le due grandezze.

5. Applicazione del rivelatore (sviluppo)

Come accennato in precedenza, il ruolo del rivelatore (o sviluppo) è quello di

attirare in superficie il penetrante rimasto intrappolato nelle cricche e di

espanderlo in modo tale da renderlo facilmente visibile all’operatore.

53

Nel caso dei penetranti fluorescenti, le particelle fini dello sviluppatore,

riflettono e rifrangono la luce ultravioletta usata per l’ispezione, permettendole

di interagire meglio coi pigmenti del penetrante cosicché si ha una fluorescenza

migliore. Lo sviluppatore permette, inoltre, che venga emessa più luce

sfruttando lo stesso meccanismo. Questo spiega perché, quando vengono

esposte alla luce ultravioletta, le indicazioni sono più luminose del solo

penetrante.

Nel caso invece dei penetranti colorati, lo sviluppatore deve costituire uno

sfondo di un colore che sia in contrasto con quello del penetrante, in modo che

le indicazioni siano facilmente visibili.

Gli sviluppatori, in genere, sono costituiti da talco, gesso o silice amorfa

finemente suddivisi, per cui si presentano sotto forma di una polvere molto

soffice. Il loro funzionamento si basa, ancora una volta, sulla capillarità, infatti

nello strato di sviluppatore si crea un numero molto elevato di sottilissimi

condotti che richiamano in superfici il penetrante intrappolato nei difetti

sottostanti.

Le norme AMS 2644 e MIL-I-25135 classificano i rivelatori in 6 categorie:

1. Polvere secca

2. Solubile in acqua

3. Sospensione acquosa

4. Nonacquoso Tipo 1 Fluorescente (base solvente)

5. Nonacquoso Tipo 2 Visibile (base solvente)

6. Applicazioni speciali

La classificazione è basata sulla modalità con la quale il rivelatore è applicato

(in polvere oppure disciolto o sospeso in un mezzo liquido). Naturalmente

54

ciascuna di queste possibilità presenta vantaggi ed inconvenienti che possono

essere riassunti come segue:

Polveri secche

Gli sviluppatori basati sull’impiego di polveri secche, sono certamente i meno

sensibili, ma anche i più economici e semplici da usare. Si presentano come

delle polveri bianche e lanuginose che possono essere applicate ad una

superficie asciutta in vari modi. L’applicazione, che deve essere fatta dopo

l’asportazione del penetrante in

eccesso e l’asciugatura della

superficie trattata, può avvenire

immergendo il pezzo in esame in un

contenitore riempito con lo

sviluppatore, tramite dei soffiatori

che caricano elettrostaticamente le

polveri e le sparano sulla superficie

in esame oppure tramite dei contenitori (tipo borotalco). Eventuali eccessi di

polvere devono essere eliminati con un leggero soffio d’aria. L’uso delle polveri

è indicato per l’esame di superfici molto ruvide e per difetti profondi da cui cioè

fuoriesce molto liquido, questo perché il rilevatore assorbe di meno e da una

definizione migliore su tali difetti. Per contro è meno adatto alla rilevazione di

difetti sottili, da cui fuoriesce poco liquido. Un difetto delle polveri secche è che

spesso lo sfondo bianco non è uniforme, e questo può limitare fortemente la

visibilità dei difetti. Utilizzando tale tipo di sviluppatore, spesso le indicazioni

si presentano chiare e poco espanse. In ogni caso, questo tipo di sviluppatore,

viene usato in combinazione con penetranti fluorescenti.

Solubili in acqua

55

Come suggerisce il nome, gli sviluppatori solubili in acqua, consistono in una

serie di sostanze chimiche disciolte in acqua che lasciano sulla superficie in

esame uno strato di sviluppatore una volta che l’acqua è evaporata. Si

applicano dopo la rimozione del penetrante e senza asciugare la superficie da

esaminare. Il modo migliore per applicare questo tipo di sviluppatori è

spruzzarli direttamente sulla parte in esame che può essere umida o asciutta.

Sono praticabili, ma meno indicati, anche altri metodi di applicazione, quali

spennellatura o immersione. La superficie bagnata va poi asciugata utilizzando

un getto di aria calda con temperatura compresa fra i 35 e 40 °C. L’asciugatura

deve avvenire in modo uniforme su tutta la superficie in esame poiché le parti

umide danno luogo a indicazioni sfuocate e indistinte. Quando lo sviluppatore

è asciugato correttamente, la superficie presenta un rivestimento bianco

uniforme e pallido e le indicazioni si manifestano nitidamente.

Sospensioni in acqua

I rivelatori prodotti sotto forma di sospensione acquosa consistono in particelle

di una sostanza insolubile sospesa in acqua. Questa tipologia di rivelatore

richiede un continuo movimento di miscelazione in modo tale da evitare la

separazione tra le due fasi. Le modalità di applicazione sono le stesse dei

rivelatori solubili e i componenti trattati con questa forma di sviluppo

presentano una sorta di rivestimento di colore bianco traslucido.

Non acquosi

Gli sviluppatori non acquosi, siano essi del tipo visibile o del tipo fluorescente,

sono costituiti da un solvente volatile in

cui sono sospese le particelle di

rivelatore. L’applicazione, che avviene

dopo la rimozione del penetrante e in

56

eccesso e l’asciugatura della superficie, si effettua con una pistola a spruzzo

tuttavia, molto spesso questo tipo di sviluppatori sono distribuiti in bombolette

spray in modo da garantire una migliore trasportabilità. Poiché il solvente è

altamente volatile, non è necessaria l’asciugatura con aria calda come nel caso

precedente. La presenza del solvente, oltre a evitare l’asciugatura, si rivela

benefica anche nei confronti del penetrante. Infatti, il solvente dello

sviluppatore esercita una leggera diluizione del penetrante presente nelle

discontinuità sottostanti rimovendo così gli eventuali principi di essiccamento e

ripristinando le iniziali condizioni di mobilità. Per questo motivo, il loro uso

avviene solo in combinazione con penetranti rimovibili con solvente. Prima

dell’applicazione dello sviluppatore, il pezzo deve essere accuratamente

asciugato, cosicché al termine dell’applicazione esso presenterà sulla sua

superficie un rivestimento bianco traslucido.

Applicazioni speciali

In casi particolari è possibile utilizzare rivelatori sotto forma di plastica o lacche.

In tal modo l’indicazione proveniente dalla prova è conservata

permanentemente.

Gli sviluppatori non acquosi, sono universalmente riconosciuti come i più

sensibili mentre vi è meno accordo per quanto riguarda le prestazioni degli

sviluppatori in polvere secca e acquosi anche se questi ultimi, sono considerati

più sensibili in quanto formano uno strato di particelle più sottile che stabilisce

un contatto migliore con la superficie da testare.

Tuttavia, se lo spessore dello strato è troppo elevato si corre il rischio che i

difetti vengano mascherati. Gli sviluppatori acquosi, inoltre, possono causare

57

l’offuscamento delle indicazioni se usati in combinazione con penetranti

rimovibili con acqua.

Nelle tabelle seguenti sono riportati alcuni dati riassuntivi relativi alla

sensibilità degli sviluppatori (con relative tecniche di applicazione) e alcuni

vantaggi e svantaggi principali nell’impiego dei vari tipi di sviluppatore.

Categoria Forma dello sviluppatore Metodo di applicazione

1 Non acquoso (base solvente) Spruzzo

2 Film di materiale plastico Spruzzo

3 Solubile in acqua Spruzzo

4 Sospensione acquosa Spruzzo

5 Solubile in acqua Immersione

6 Sospensione acquosa Immersione

7 Polvere secca Spruzzatura elettrostatica

8 Polvere secca A letto fluidizzato

9 Polvere secca Spruzzo

10 Polvere secca Immersione

58

Sviluppatore Vantaggi Svantaggi

Polvere secca

Le indicazioni tendono a rimanere col tempo più luminose e più

distinte

Applicazione semplice

Non crea un buon contrasto per cui non può essere usato con i

sistemi visibili

Difficile assicurare una copertura omogenea dell'intera superficie

Solubile in acqua

Facilità a ricoprire la superficie in esame

Il rivestimento bianco che si produce, determina un buon

contrasto per cui è utilizzabile sia con sistemi visibili che

fluorescenti

Se il rivestimento è traslucido fornisce uno scarso contrasto (non suggerito per i sistemi

visivi)

Le indicazioni per i sistemi lavabili in acqua sono fioche e

vaghe

Sospensione acquosa

Facilità a ricoprire la superficie in esame

Le indicazioni sono luminose e marcate

Il rivestimento bianco che si produce, determina un buon

contrasto per cui è utilizzabile sia con sistemi visibili che

fluorescenti

Le indicazioni si indeboliscono dopo poco tempo e sono diffuse

Non acquoso

Molto portatile

Facile da applicare alle superfici

Il rivestimento bianco che si produce, determina un buon

contrasto per cui è utilizzabile sia con sistemi visibili che

fluorescenti

Le indicazioni si manifestano velocemente e bene sono definite

Fornisce la più alta sensibilità

Difficile da applicare a tutte le superfici

Più difficile pulire la superficie testata dopo il controllo

59

6. Esame delle indicazioni

In questa fase viene condotta l’ispezione visiva vera e propria dei segnali

prodotti dal trattamento, impiegando un opportuno tipo di illuminazione. È

importante sottolineare che l’esame deve essere effettuato dopo che sia

trascorso un certo tempo (detto “tempo di rilevamento”) compreso tra 7 e 30

minuti dall’applicazione del rivelatore. Tempi lunghi, infatti, sono necessari per

richiamare in superficie il liquido contenuto nelle discontinuità sottili e

profonde.Qualora si esegua l’esame con lampada ultravioletta (penetranti

fluorescenti) l’operatore deve avere l’accortezza di abituare la vista al buio per

almeno 5 minuti prima dell’ispezione. Lo sguardo dell’operatore, inoltre, non

dovrebbe mai cadere direttamente sulla lampada per evitare principi di

abbagliamento indotti dalla presenza di sostanze fluorescenti all’interno dei

tessuti dell’occhio umano.

Come già esposto in precedenza scopo finale dell’esame coi liquidi penetranti, è

segnalare la presenza di discontinuità sfocianti sulla superficie del pezzo in

esame e permettere di valutare se il pezzo è affidabile, ossia se può essere

impiegato senza temere inconvenienti durante il suo uso. Tuttavia è opportuno

sottolineare che non sempre ad un segnale corrisponde una effettiva anomalia.

Infatti, condizioni esecutive non corrette dell’esame possono dar luogo alla

formazione di indicazioni senza che vi siano discontinuità oppure, alla

formazione di indicazioni che corrispondono a condizioni caratteristiche del

pezzo e non a reali anomalie.

Quindi, sulla base dei segnali disponibili, l’operatore deve individuare

dapprima le indicazioni false e non rilevanti, successivamente interpretare le

indicazioni rilevanti e, infine, valutare le discontinuità. Le indicazioni false e

non rilevanti, naturalmente, non vengono prese in considerazione.

L’interpretazione delle indicazioni rilevanti consiste, invece, nell’individuare il

tipo di discontinuità cui essi si riferiscono. La presenza di una discontinuità,

60

tuttavia, non implica, automaticamente, l’inaffidabilità del pezzo. Alcune

discontinuità, infatti, pur rappresentando una effettiva anomalia del pezzo, se

contenute entro certi limiti, possono essere tollerate in quanto non danno luogo

ad inconvenienti.

Quando invece una discontinuità non può essere tollerata, viene considerata

difetto. In tal caso si può rimuovere la discontinuità oppure scartare il pezzo,

quindi in sostanza, valutare le discontinuità, significa stabilire se una

discontinuità può essere tollerata oppure deve essere considerata difetto.

La fase di valutazione non può essere affidata al solo giudizio dell’operatore o

di un ispettore. Se così fosse, si avrebbero certamente pareri discordi a seconda

delle opinioni e dell’esperienza di chi esegue la valutazione.

Pertanto, chi esegue la valutazione, fa riferimento a dei documenti che per

ciascuna discontinuità indicano i limiti di tollerabilità a seconda dei vari casi

pratici.

Il grado di tolleranza di una discontinuità, viene stabilito da questi documenti

in base ai seguenti elementi:

• Condizioni di funzionamento previste per il pezzo (entità e tipo di sollecitazione,

aggressività dell’ambiente operativo, etc.)

• Tipo di discontinuità (cricca, porosità, inclusione, etc.)

• Forma, dimensioni ed orientamento della discontinuità

• Materiale del pezzo

I documenti di riferimento cui si è accennato prima, possono essere divisi in tre

categorie in base al tipo di costruzioni cui sono applicabili ed al fatto che il loro

impiego sia obbligatorio oppure facoltativo.

61

Norme o standards

Questi documenti vengono redatti da organizzazioni quali UNI, ASTM, etc.

Esse hanno carattere facoltativo e possono essere adottate come termine di

accordo tra il committente ed il costruttore. Generalmente si riferiscono a

categorie di costruzioni più o meno estese.

Regolamenti o codici

Tali documenti, si riferiscono a specifici settori di costruzioni e vengono redatti

da enti cui spetta, per legge, l’approvazione di tali costruzioni. L’impiego di tali

documenti è, pertanto, obbligatorio.

Specifiche

Questi documenti, generalmente, vengono elaborati dal committente che fissa i

limiti di accettabilità per le discontinuità e altri parametri in quel dato

componente.

Essi si riferiscono ad una ben precisa costruzione ed hanno carattere

obbligatorio solo per quella costruzione e per quel committente.

Sensibilità del controllo

Il concetto di sensibilità del controllo LPI fa riferimento alla capacità del metodo

di rilevare difetti più piccoli possibile con un alto grado di affidabilità, e

dunque, la natura del difetto ha un notevole effetto sull’efficacia della tecnica.

62

Tipicamente, per definire il formato del difetto si rapporta la sua lunghezza a

quella della superficie del pezzo in esame e, se si prende in esame la curva della

probabilità di rilevazione per un controllo coi liquidi penetranti, si può

osservare come le dimensioni del difetto siano influenti sulla sensibilità.

Tuttavia, la lunghezza di un difetto, non determina a priori il suo grado di

visibilità, infatti, il suo volume deve essere tale da contenere una quantità di

penetrante sufficiente a produrre un’indicazione chiaramente visibile.

La sperimentazione ha mostrato come alcune tipologie di difetti siano più

facilmente individuabili di altre e in particolare:

• I difetti piccoli e rotondi rispetto a quelli piccoli ma lineari.

Ci sono diverse ragioni che spiegano questo risultato: anzitutto i difetti rotondi

possono intrappolare una maggiore quantità di penetrante, inoltre essi si

riempiono più velocemente. Analisi sperimentali hanno mostrato che un difetto

ellittico con un rapporto tra lunghezza e larghezza pari a 100, impiega, per

riempirsi, fino a 10 volte di più di un difetto cilindrico dello stesso volume.

• I difetti più profondi rispetto a quelli poco profondi.

63

La causa di questo è da attribuirsi al fatto che i difetti più profondi intrappolano

una maggiore quantità di penetrante e sono meno soggetti fenomeni di

svuotamento durante la fase di lavaggio dell’eccesso di penetrante.

• I difetti con un’apertura stretta rispetto a quelli molto aperti.

Anche in questo caso i difetti con un’apertura stretta sono meno soggetti a

svuotamenti durante la fase di lavaggio.

• I difetti su superfici regolari rispetto a quelli su superfici rugose.

La rugosità della superficie in esame è importante nei confronti della stabilità

del penetrante. Le superfici rugose, trattengono più penetrante nelle loro

asperità superficiali e questo residuo, per esempio, può dar luogo a

fluorescenza che ostacola l’osservazione in quanto riduce il contrasto.

• I difetti su pezzi scarichi o sottoposti a trazione rispetto ai difetti su pezzi

sottoposti a compressione.

Per valori elevati del carico di compressione, il difetto può risultare addirittura

completamente chiuso, impedendo così al penetrante il riempimento. Questo

problema non si presenta su pezzi scarichi dove il difetto non muta le proprie

condizioni, o nel caso in cui la sollecitazione sia di trazione (in questo caso al

più, il difetto si apre ulteriormente)

Vantaggi e svantaggi

Come tutti i metodi appartenenti alla famiglia dei controlli non distruttivi,

anche l’ispezione LPI è caratterizzata da vantaggi e svantaggi che sono

sintetizzati qui di seguito:

Vantaggi:

1. Il metodo è altamente sensibile alla presenza di piccole discontinuità

superficiali

64

2. Esistono poche limitazioni pratiche al suo impiego. Possono essere testati

materiali metallici e non metallici, magnetici e amagnetici, conduttivi e

non conduttivi

3. Possono essere ispezionate grandi aree e grandi volumi rapidamente e a

basso costo

4. Geometrie anche complesse sono testate comunemente

5. Le indicazioni relative ai difetti sono prodotte direttamente sulla

superficie e costituiscono una traccia visibile dell’entità del difetto

6. La disponibilità dei liquidi penetranti in formato spray rende il metodo

facilmente portabile

7. I consumabili (penetranti e rivelatori) e tutto l’equipaggiamento

associato hanno basso costo

Svantaggi:

1. Possono essere visualizzati solo difetti superficiali

2. Il metodo funziona solo su superfici di materiali relativamente non

porosi

3. La pulizia pre-trattamento è essenziale (i contaminanti possono

nascondere la presenza di difetti)

4. Tutti i residui delle lavorazioni meccaniche devono essere rimossi prima

di iniziare l’ispezione

5. L’operatore deve avere accesso diretto alla superficie da testare

6. La finitura superficiale e la rugosità possono influenzare

significativamente la sensibilità del test

7. Devono essere eseguite e controllate numerose operazioni (in genere

almeno 5)

8. È necessario ripulire la superficie al termine della prova

65

9. Il metodo richiede lo stoccaggio e il trattamento opportuno delle

sostanze chimiche impiegate

Sicurezza nell’esecuzione del controllo coi liquidi penetranti

Quando la procedura di controllo coi liquidi penetranti viene eseguita

rispettando tutte le norme di sicurezza e salubrità, non vi sono pericoli per gli

operatori. A seconda del contesto in cui si opera si farà riferimento a delle

norme specifiche, tuttavia è possibile individuare dei caratteri di sicurezza,

comuni per tutti i tipi di test con liquidi penetranti, che sono la sicurezza

chimica e della luce ultravioletta.

Infatti, ogni volta che si utilizzano dei prodotti chimici è necessario prendere

delle opportune precauzioni (specificate in apposite norme) per preservare la

sicurezza e la salute sia degli operatori sia di chi opera in prossimità di essi.

Molti materiali penetranti sono infiammabili e pertanto dovrebbero essere usati

e stoccati in piccole quantità. Si dovrebbe poi lavorare in ambienti ben arieggiati

ed evitare il contatto con scintille o altre possibili fonti d’incendio.

Gli operatori dovrebbero, inoltre, portare sempre appositi occhiali protettivi

onde evitare il contatto dei prodotti in uso con gli occhi, e guanti, oltre ad

apposito vestiario che riduca al minimo le possibilità di contatto coi vari

prodotti. Un altro fattore da tenere sotto controllo è la luce ultravioletta. Essa è

caratterizzata da lunghezze d’onda comprese fra i 180 e i 400 nm, pertanto, è

collocata nella parte invisibile dello spettro elettromagnetico, fra la luce visibile

ed i raggi X. L’uomo subisce l’irradiazione di raggi ultravioletti da parte del

sole, ma la quantità che viene assorbita è molto piccola e, in tale misura, utile

per determinati processi chimici. Esposizioni eccessive presentano invece gravi

rischi tra cui il cancro alla pelle. Per gli occhi, invece, i danni vanno dalle

semplici infiammazioni alle cataratte fino a danni più gravi a carico della retina.

66

Le lampade usate per l’osservazione, emettono con una intensità molto

superiore rispetto a quella delle radiazioni ultraviolette che ci giungono dal

sole, per cui eventuali danni si manifestano molto più velocemente. Il problema

fondamentale è che i raggi ultravioletti sono invisibili, quindi ci si accorge di

eventuali lesioni solo quando sono già state provocate anche perché il dolore si

manifesta solo parecchie ore dopo l’esposizione.

Le lesioni a carico della pelle e dell’apparato visivo sono provocate da

lunghezze d’onda che vanno dai 320 nm in giù, cioè ben al di sotto dei 365 nm

che sono necessari perché il penetrante manifesti la sua fluorescenza.

Per questo motivo, le lampade utilizzate nell’esame dei liquidi penetranti, sono

schermate in modo da rimuovere le lunghezze d’onda nocive. A tale proposito,

è importante controllare che il filtro sia sempre in buone condizioni e, in caso

contrario, sostituirlo.

67

Magnetoscopia

MAGNETOSCOPIA

Introduzione

Il controllo con Particelle Magnetiche (chiamato anche “Magnetoscopia” ed

indicato con l’acronimo MPI o MT) è una tecnica di indagine non distruttiva

molto semplice che sfrutta le proprietà ferromagnetiche dei materiali per

produrre un’indicazione visiva ben distinta laddove il componente testato

presenti una qualche discontinuità non soltanto strutturale ma anche di

carattere fisico-chimico.

Il principio del metodo è estremamente semplice: se si prende in esame un

comune magnete, è noto che su di esso è possibile individuare due poli (Nord e

Sud) nei quali rispettivamente hanno origine e termine le linee di forza del

campo magnetico associato. Se il magnete viene diviso in due parti, le porzioni

così originate sono a loro volta due nuovi magneti ciascuno dei quali possiede

una propria coppia di poli N e S. Tuttavia, se la continuità di una simile

struttura viene alterata anche solo parzialmente (per esempio a causa della

presenza di una cricca), il nuovo dipolo verrà a formarsi solo in corrispondenza

della regione nella quale il materiale è assente, mentre nella restante parte del

magnete le linee di forza conserveranno la loro precedente configurazione; ciò

provoca, complessivamente, un significativo indebolimento del flusso

magnetico.

Se si provvede a cospargere di particelle di ferro (o altro materiale

ferromagnetico) la zona nella quale è presente la discontinuità, esse tenderanno

ad agglomerarsi in corrispondenza dei sui bordi, producendo un’indicazione

visibile (sotto opportune condizioni) ad occhio nudo. Così come accade anche

nel caso dell’ispezione con liquidi penetranti, l’indicazione ottenuta è

nettamente superiore, in termini dimensionali, rispetto alla discontinuità alla

69

quale fa riferimento, e questo rende la procedura particolarmente indicata per

la localizzazione e caratterizzazione di difetti anche estremamente ridotti.

L’unico requisito essenziale per poter eseguire questo tipo di controllo è che il

componente da testare sia composto da materiale ferromagnetico (sono tali ad

es. il ferro, il nichel, il cobalto e alcune delle loro leghe). Come si vedrà meglio

successivamente, i materiali ferromagnetici possiedono la caratteristica di poter

essere magnetizzati (con l’ausilio di un’opportuna strumentazione) fino ad un

livello tale da rendere la tecnica applicabile ed efficace. Il controllo MPI è molto

diffuso nell’industria automobilistica, petrolchimica, aerospaziale e in generale

nei processi produttivi di componenti strutturali e la versatilità del metodo è

tale che esso rappresenta una delle soluzioni privilegiate per il test di strutture

sottomarine (pipelines o strutture petrolifere off-shore) situazione nella quale

molte altre metodiche non possono essere applicate

Breve storia del metodo

Come accennato in precedenza, il metodo MPI si basa essenzialmente sul

magnetismo, ossia sulla proprietà che possiede la materia (sotto alcune

condizioni particolari) di attrarre a sé altra materia. La scoperta del magnetismo

è attribuita agli antichi Greci, mentre in tempi successivi fisici come Bergmann,

Beqeuerel e Faraday accertarono che tutte le sostanze (incluse quelle liquide e

gassose) sono caratterizzate da un certo livello di magnetismo, ma solo alcune

esprimono questa proprietà a livelli significativi.

Il primo uso documentato del magnetismo quale tecnica ispettiva NDT, risale

solo alla fine dell’800, quando si ha notizia dell’impiego di sistemi

magnetoscopici per verificare la presenza di difetti nei cannoni (se ne

magnetizzava il fusto per poi movimentare su di esso un compasso magnetico

lungo alcune direzioni preferenziali). In realtà questa è stata la prima forma

70

conosciuta di controlli non distruttivi, anche se il termine non verrà coniato

prima della fine della prima guerra mondiale.

Nei primi anni ’20, William Hoke si rese conto che particelle magnetizzate

(trucioli metallici colorati) potevano essere validamente impiegati quale

indicatore della presenza di difetti se introdotti su un campo magnetico. Hoke

osservò che un difetto superficiale o subsuperficiale causava una perturbazione

del campo magnetico applicato al componente anche ben oltre la zona

interessata, e questo era particolarmente evidente qualora il corpo fosse

ricoperto di fine polvere magnetizzata. Negli anni ’30 l’ispezione MPI venne

rapidamente rimpiazzata dall’allora innovativo sistema dei liquidi penetranti

quale metodo d’elezione in ferrovia, ma nel corso del tempo ci si è resi conto

della validità del metodo tanto che ancora oggi esso è estensivamente impiegato

in particolar modo per l’ispezione di barre o altri prodotti semilavorati da

avviare alla lavorazione e quale metodo complementare da affiancare ad altre

tecniche NDT.

Principi del metodo

Proprietà magnetiche dei materiali

Quando un materiale viene inserito all’interno di un campo magnetico, le forze

magnetiche a cui sono sottoposti gli elettroni degli atomi che lo compongono,

ne risultano alterate e questo effetto è noto come legge di Farady dell’induzione

magnetica. Tuttavia, diversi materiali possono reagire in modo estremamente

differente l’uno dall’altro all’influenza di un campo magnetico esterno, e tali

differenze dipendono da fattori quali la struttura atomica e molecolare, e il

campo magnetico esistente associato agli atomi (che a sua volta è legato al moto

degli elettroni orbitali e al loro spin )

71

Nella maggior parte degli atomi, gli elettroni sono disposti a coppie e ciascuno

di essi ruota in direzione opposta rispetto all’altro, in modo tale che i rispettivi

campi magnetici si annullino a vicenda. Tuttavia esistono sostanze nelle quali

alcuni elettroni risultano spaiati e dunque suscettibili di reagire all’azione di un

campo magnetico esterno. Da tali considerazioni discende la classificazione in

ferromagnetici, diamagnetici e paramagnetici.

Le sostanze ferromagnetiche, che possiedono alcuni elettroni spaiati tali da

conferire un certo momento magnetico ai loro atomi, mostrano una

significativa suscettibilità ai campi magnetici esterni; esse, infatti ne sono

fortemente attratte e sono in grado, inoltre, di mantenere le proprietà

magnetiche anche dopo che il campo è stato rimosso. Tra le sostanze

ferromagnetiche si ricordano il ferro, il nichel e il cobalto.

Tuttavia è importante sottolineare che le proprietà ferromagnetiche sussistono

anche grazie al fatto che il materiale è composto da numerose piccole regioni

chiamate “domini magnetici” nei quali tutti i dipoli magnetici esistenti a livello

atomico sono accoppiati in una direzione preferenziale. Tale allineamento si

sviluppa di pari passo con la struttura cristallina del materiale durante il

passaggio di stato da liquido a solido.

A causa di questa peculiare struttura, i materiali ferromagnetici sono

caratterizzati dalla cosiddetta “magnetizzazione spontanea”, poiché i singoli

domini sono orientati in una direzione preferenziale, ma nel complesso,

considerato che tutti i domini presentano allineamenti differenti, non si ha un

effetto di magnetismo macroscopico esteso all’intero corpo.

La magnetizzazione avviene un campo magnetico esterno produce

l’allineamento dei domini nella stessa direzione (quella del campo appunto);

maggior è il numero di domini allineati, maggior è l’effetto di magnetizzazione

e quando tutti i domini sono allineati, si parla di “saturazione magnetica”;

72

questo significa che anche se l’intensità del campo esterno viene ulteriormente

incrementata, l’entità dell’effetto di magnetizzazione non aumenta.

Materiale non magnetizzato Materiale magnetizzato

Le sostanze paramagnetiche invece (esempi sono il magnesio, il molibdeno e il

litio) possiedono una minore sensibilità ai campi esterni (da cui sono

debolmente attratte) e non conservano alcuna traccia di magnetismo residuo

dopo che il campo esterno è stato rimosso.

Infine le sostanze diamagnetiche sono caratterizzate da una negativa suscettibilità

ai campi esterni, dai quali risultano debolmente respinti. Come è facile intuire,

la maggior parte degli elementi conosciuti presenta questo comportamento, che

è causato dalla totale assenza di elettroni spaiati.

La tecnica: concetti base

La magnetoscopia si serve essenzialmente di un campo magnetico e di

minuscole particelle di metallo magnetizzato (come ad esempio la limatura di

ferro) per individuare la presenza di difetti nei componenti testati. Il principio

di base è relativamente semplice: è noto che quando una barretta magnetica

viene spezzata lungo la linea mediana, si originano due nuovi magneti completi

aventi poli su ciascuna estremità. Se il magnete non venisse completamente

tagliato, ma solo interrotto parzialmente, due nuovi poli si creerebbero sui due

73

lati opposti della cricca (come nel caso di rottura completa). Se piccole particelle

metalliche vengono ora introdotte su al di sopra del sistema, le particelle

risulteranno essere attratte non solo dai

due estremi della barra originaria, ma

anche da quelli della cricca.

Il primo passo per eseguire un’ispezione

MPI è quello di magnetizzare il

componente da testare. La presenza di difetti sulla superficie (o

immediatamente sotto), darà luogo ad una perdita di campo magnetico. Dopo

la fase di magnetizzazione, il pezzo viene

cosparso di finissime particelle magnetiche

(sia in forma secca o in sospensione liquida)

che vengono attratte e si raggruppano nella

zona delle perdite di campo, in modo tale da

formare un’indicazione ben visibile della presenza di cricche od altre

imperfezioni.

Schema della procedura di controllo con il metodo MPI

A. Preparazione della superficie

In questa fase occorre verificare che la superficie del pezzo da testare sia

sufficientemente esente dalla presenza di grasso e polvere in modo tale da

permettere alle particelle magnetiche di muoversi liberamente e concentrarsi

nelle regioni nelle quali è presente la perdita di flusso magnetico. Nei casi per i

quali è richiesto il passaggio di corrente sul componente, è inoltre necessario

che alcune porzioni della superficie si prestino in modo ottimale a fungere da

terminali elettrici.

74

B. Magnetizzazione della superficie

Per ispezionare in modo ottimale un componente al fine di identificare la

presenza di cricche o altri difetti, è importante valutare l’orientamento relativo

tra la direzione delle linee di forza del campo magnetico e quella dei possibili

difetti. In generale si possono impiegare due tipologie distinte di campi

magnetici:

• campi magnetici longitudinali, aventi linee di forza che si sviluppano

parallelamente tra loro e hanno origine e termine nei poli del magnete (o

elettromagnete) impiegato per l’ispezione.

• campi magnetici circolari, nei quali le linee di forza corrono in direzione

circonferenziale intorno al perimetro del componente testato. Un tale

campo magnetico può essere generato, per esempio, facendo attraversare

da corrente il componente.

Linee di forza rettilinee Linee di forza circonferenziali

Il tipo di campo magnetico risultante è determinato dal metodo impiegato per

l’ispezione: è molto importante essere in grado di magnetizzare il pezzo su due

direzioni perché la miglior rilevabilità dei difetti si ottiene per angoli elevati

(90° coincide con la condizione ottimale) rispetto alla dimensione prevalente.

Tale orientamento crea, infatti, la maggior dispersione (rottura) delle linee di

forza del campo e inoltre, qualora il campo magnetico fosse parallelo alla

75

direzione del difetto, non si potrebbe avere una dispersione sufficiente a

produrre indicazioni distinguibili.

In sintesi, un angolo compreso tra 45 e 90° tra direzione delle linee del campo e

direzione del difetto è essenziale affinché si formi un’indicazione e, poiché i

difetti possono presentarsi con orientazioni assolutamente casuali, ogni parte è

di regola magnetizzata in due direzioni tra loro ortogonali.

Visibilità dei difetti nel caso di linee di forza rettilinee Visibilità dei difetti nel caso di linee di forza circonferenziali

La magnetizzazione del pezzo può essere eseguita con sistemi elettrici (che

prevedono un passaggio diretto di corrente sul pezzo da testare) o magnetici

(che viceversa sfruttano l’azione di un campo magnetico generato in un

secondo conduttore disposto nelle sue vicinanze). Nel secondo caso, molto

frequente nella pratica industriale, si impiegano solenoidi (o bobine) che

vengono movimentati sul pezzo da testare.

L’equipaggiamento standard più

largamente impiegato fa uso di un

“giogo” che è essenzialmente un

magnete permanente foggiato ad

“U” dotato di avvolgimento

elettrico con un grande numero di

spire disposte sull’area da trattare (vedi figura). Questo tipo di magnete genera

76

un campo magnetico molto intenso nella zona compresa tra i due puntali (a

volte così forte che è possibile sollevare pesi di oltre 20 Kg).

Occorre ricordare che la direzione di magnetizzazione deve essere maggiore di

45° rispetto alla direzione di ogni possibile difetto. Per ciò che riguarda il tipo di

corrente applicata al pezzo, è possibile impiegare sia corrente continua che

alternata, sebbene per la ricerca di difetti subsuperficiali quella continua sia più

adatta. Anche il livello di

magnetizzazione deve essere scelto

accuratamente, infatti se esso è

troppo basso alcuni difetti

potrebbero non essere individuati

mentre, viceversa, in caso di

magnetizzazione troppo elevata le linee di flusso di sfondo possono

mascherarne la presenza. Sfortunatamente non esistono regole quantitative a

tale riguardo, e dunque il livello ideale di magnetizzazione deve essere

determinato empiricamente caso per caso in funzione del tipo di applicazione e

della strumentazione scelta.

Per quanto riguarda la tipologia di corrente da impiegare per la generazione del

campo magnetico, è importante sottolineare che essa può influenzare le

prestazioni dell’intero esame. In generale negli esami MPI si possono

impiegare tre tipologie di corrente:

Corrente continua (CC)

La CC, di solito generata da una batteria, fluisce con continuità in una certa

direzione con voltaggio costante: il suo impiego è desiderabile quando si

vogliano localizzare con maggior precisione e dettaglio difetti subsuperficiali

perché il campo magnetico che essa genera penetra in profondità nel materiale.

77

Corrente alternata (CA)

Nella CA l’ampiezza del campo elettrico varia periodicamente (in genere con

frequenza compresa tra 50 e 60 Hz) e il suo impiego negli esami MPI è legato al

fatto che essa può essere facilmente prelevata dalla rete elettrica civile. Tuttavia,

quando la CA viene usata per produrre un campo magnetico in materiali

ferromagnetici, l’estensione del campo risultante è limitata a piccole regioni

superficiali del componente testato. Tale fenomeno, detto “effetto pelle” (skin

effect) rende conto, quindi, della tendenza di una corrente elettrica alternata a

distribuirsi dentro un conduttore in modo non uniforme: la sua densità è

maggiore sulla superficie ed inferiore all'interno. Questo comporta un aumento

della resistenza elettrica del conduttore particolarmente alle alte frequenze. In

altre parole una parte del conduttore non viene utilizzata: è come se non

esistesse. Peraltro la rapida inversione della polarità del campo non

consentirebbe ai domini magnetici di rimanere allineati nel tempo, dunque

l’impiego della CA è raccomandato quando i difetti che si vogliono localizzare

sono presumibilmente superficiali.

Nel grafico che segue sono riportate sinteticamente le prestazioni ottenibili in

esami MPI eseguiti con diversi tipi di corrente in funzione della profondità

massima di difetto rilevabile e dell’intensità di corrente.

78

C. Applicazione della polvere magnetica

Come è facile intuire, le polveri magnetiche da impiegare nelle ispezioni

magnetoscopiche costituiscono un ingrediente chiave per la buona riuscita

dell’esame, poiché sono esse a disporsi in modo tale da rendere visibile la

presenza della discontinuità all’operatore. Il materiale base per le polveri è

solitamente limatura di ferro (od ossido di ferro) che può essere all’occorrenza

variamente pigmentato per aumentare il contrasto su alcuni tipi di superficie.

Il metallo ottimale per realizzare polveri magnetiche possiede elevata

permeabilità magnetica (che dà alle particelle la possibilità di essere attratte con

facilità dalle zone di rottura del campo) e bassi valori di ritenzione magnetica in

modo tale che al cessare dell’azione del campo esterno esse non restino

agglomerate tra loro o attaccate troppo saldamente al componente testato. Le

proprietà fondamentali che caratterizzano una polvere magnetica possono

essere riassunte sinteticamente come segue:

1. Comportamento magnetico

2. Geometria delle particelle (fattore che influenza la fluidità di movimento e

la possibilità di scorrimento sul pezzo)

3. Visibilità degli agglomerati formati in corrispondenza di un difetto

4. Granulometria (è necessario impiegare un mix di particelle di differenti

dimensioni per poter rilevare difetti grandi e piccoli)

Dal punto di vista operativo, solitamente si distinguono due grandi classi di

modalità di applicazione delle polveri: asciutte e umide.

Le polveri magnetiche asciutte si trovano in commercio con colorazione rossa,

blu, grigia e gialla, in modo tale che sia garantito il massimo livello di contrasto

tra la polvere stessa e lo sfondo. La dimensione dei granuli rappresenta un

fattore estremamente critico per la scelta della polvere ottimale: se è vero che

polveri sottili (dell’ordine dei 50 μm) garantiscono un’elevata sensibilità anche

79

nei confronti di limitate rotture del campo magnetico (corrispondenti a difetti

estremamente piccoli), è altrettanto vero che esse possono influenzare

negativamente l’esame in particolare nei casi di avverse condizioni

atmosferiche (es. vento) o qualora la superficie sia significativamente rugosa o

contaminata (in questo caso si possono ottenere numerose false indicazioni).

Occorre sottolineare che la presenza di granulometrie superiori (anche fino a

150 μm) assicura una buona visibilità dei difetti grossolani e garantisce una

sorta di azione “legante” anche nei confronti delle particelle più fini. Le polveri

secche soffrono anche di problemi di “riciclo” perché tipicamente si riesce a

recuperare, dopo un’ispezione, solo la parte più grossolana del mix, incorrendo

inevitabilmente in perdite di sensibilità per le successive ispezioni.

Anche la forma delle particelle riveste una notevole importanza: esse possono

presentarsi sferiche, allungate (aghi) o a bastoncelli. Polveri con grani lunghi e

snelli tendono a comportarsi come piccoli magneti N-S formando in tal modo

chiare e distinte indicazioni anche in presenza di campi magnetici deboli, ma la

sperimentazione ha mostrato che se le polveri fossero esclusivamente composte

in questo modo, la loro applicazione (che tipicamente avviene per mezzo di

dispenser) risulterebbe problematica per i notevoli fenomeni di agglutinamento

che impedirebbero l’ottimale distribuzione sul componente da testare. Le

particelle di forma sferica si comportano meglio nei confronti del movimento e

della fluidità di disposizione sulla superficie (peraltro quando si ha a che fare

con sospensioni acquose le considerazioni di carattere geometrico passano in

secondo piano). Per tali ragioni si preferisce sempre unire una certa percentuale

di particelle globulari che garantiscono al mix buone caratteristiche di

sensibilità e facilità di applicazione. In generale la maggior parte delle polveri

secche possiede particelle con rapporti L/D compresi tra uno e due.

80

Le polveri magnetiche umide, invece, sono sospese in un veicolo liquido a base

acquosa o oleosa (tipicamente un idrocarburo); le sospensioni acquose

producono rapide indicazioni, sono più economiche, non comportano rischi di

incendi e sono facili da rimuovere una volta eseguito l’esame. In genere si

introduce nella sospensione anche un agente anticorrosione, anche se le

sospensioni in kerosene sono certamente superiori nell’evitare i rischi derivanti

da corrosione o da infragilimento superficiale.

Le polveri umide offrono un migliore grado di sensibilità complessiva poiché il

veicolo liquido consente una maggiore scorrevolezza e, inoltre, è possibile

impiegare granulometrie anche molto sottili poiché non si corre il rischio di

disperdere la frazione più sottile a causa dell’azione dell’aria e anche i fenomeni

di adesione indesiderata sono praticamente inesistenti. Il metodo umido

consente anche facilità di applicazione su aree relativamente estese e inoltre

esiste la possibilità di rivestire i granuli di pigmenti fluorescenti

Esistono, poi, altri tipi di agenti magnetici meno frequentemente impiegati tra i

quali si possono citare i rivestimenti applicati con tecniche speciali (vernici

magnetiche, plastica magnetica, gomma magnetica).

La magnetizzazione deve essere prolungata durante tutto il tempo di

applicazione della polvere finché il pezzo non raggiunge un alto livello di

ritenzione magnetica

D. Illuminazione della superficie

Per analizzare il risultato della prova MPI è necessario disporre di un buon

livello di illuminazione (almeno 1000 lux) che può essere raggiunto impiegando

lampade fluorescenti (80W) o incandescenti (150W) ad una distanza di 1 metro.

Per le prove eseguite con polveri fluorescenti si rende indispensabile l’uso di

una lampada cosiddetta “a luce nera” ossia un dispositivo che emette luce

81

ultravioletta mediante una lampada ad arco a vapori di mercurio nella banda di

lunghezza d’onda 320-400 nm. Quando si utilizza questo tipo di sorgente

luminosa occorre tenere presente che

• L’arco è affetto dalla presenza del campo magnetico (bisogna tenere

distante la lampada dall’apparecchiatura magnetizzatrice)

• L’arco è scoccato solo entro un ben determinato range di voltaggio

• Devono essere evitate frequenti manovre di accensione/spegnimento

consecutivo, fatto che accorcia significativamente la vita della lampada.

E. Ispezione della superficie

Il risultato dell’ispezione dipende, inevitabilmente, dal visus dell’operatore

dalla sua acutezza visiva e dall’esperienza. Laddove l’indicazione del difetto

abbia una forma non regolare, l’operatore è tenuto a ripetere il test in quella

zona per verificare la riproducibilità del segnale. Di seguito sono riportate

alcune considerazioni di carattere generale:

1. I difetti superficiali

tendono a fornire

indicazioni nitide, strette

e ben delimitate, con

particelle ben legate

assieme tra loro. È ben

visibile una sorta di

accumulo di particelle che è tanto più grande quanto più profondo è il

difetto

2. I difetti subsuperficiali forniscono indicazioni più larghe e sfocate con

particelle meno aderenti l’una sull’altra.

82

Le false indicazioni eventualmente riscontrabili a seguito di una prova MPI

non sono causate da forze di tipo magnetico, infatti alcuni assembramenti di

particelle sono formati a seguito della presenza della rugosità superficiale

oppure originati da azioni di tipo meccanico. Nella maggior parte dei casi

questo tipo di segnale scompare se si ripete il trattamento. Alcuni indicatori

ingannevoli possono anche essere originati dalla presenza di residui di stoffa

(panni usati per la pulizia della superficie), capelli, impronte digitali ecc.

Le indicazioni non rilevanti sono la diretta conseguenze di distorsioni del

campo magnetico che non sono in alcun modo collegate con la presenza di

difetti e possono essere causate da diversi fattori:

• L’accumulazione di particelle magnetiche può verificarsi in

corrispondenza degli spigoli o nei punti di variazione delle sezioni del

pezzo.

• Punti di unione di differenti materiali rappresentano una discontinuità

nel valore della permeabilità magnetica del materiale e dunque possono

fornire un’indicazione non rilevante più o meno netta.

• Contorni dei cordoni di saldatura (Heat-Affected Zones, HAZ) possono

fornire indicazioni non rilevanti a causa della presenza di decarburazioni

o per l’esistenza di stress residui non rilassati con opportuni trattamenti

termici.

• Lavorazioni meccaniche possono anch’esse essere causa di variazioni

nella permeabilità magnetica e forniscono indicazioni sfocate

• Negli accoppiamenti forzati possono essere presenti finissimi gap d’aria

che originano indicazioni piuttosto nette. Al crescere della pressione di

contatto l’indicazione tende a rimpicciolirsi. Nel caso di accoppiamenti

tra differenti materiali l’indicazione può comunque restare presente

anche se il serraggio è molto forte.

83

F. Demagnetizzazione del pezzo

Molto spesso è necessario procedere alla smagnetizzazione del pezzo una volta

eseguito il test MPI. Ciò può essere fatto applicando un campo magnetico di

polarità opposta rispetto al precedente e di intensità gradualmente decrescente

Materiali testabili e limiti del metodo

Come accennato in precedenza, il metodo MPI può essere applicato per testare

alcuni (anche se non tutti) materiali ferromagnetici. Un test semplice per

stabilire l’idoneità della tecnica a valutare un determinato materiale è quello di

verificare quanto un magnete permanente è attratto dalla sua superficie. Per gli

acciai è possibile generalizzare questo concetto come segue:

• In un acciaio ferritico, l’induzione magnetica B deve essere superiore a

10.000 Gauss per un campo magnetico H di 2500 A/m, e dunque la

corrispondente permeabilità magnetica relativa vale 300.

• Acciai inossidabili con contenuto di ferrite superiore al 70% sono di regola

adatti al test, mentre gli acciai austenitici con elevati contenuti di nichel e

cromo non sono testabili.

Le principali limitazioni del metodo sono relative al rapporto fra le dimensioni

dei difetti rilevabili, infatti una cricca o una generica discontinuità lineare, deve

avere lunghezza almeno tre volte maggiore della sua larghezza; inoltre il difetto

deve essere localizzato sulla superficie o poco sotto. A questo proposito, la

sensibilità del metodo può consentire di localizzare cricche disposte:

• A circa 6 mm dalla superficie se si utilizzano polveri secche

• A circa 0.25 mm dalla superficie se si usano polveri in sospensione

acquosa e magnetizzazione in corrente alternata

84

• A circa 1.3 mm dalla superficie se si usano polveri in sospensione

acquosa e magnetizzazione in corrente continua

Indicatori standard di difetto

La valutazione della sensibilità e delle prestazioni dell’equipaggiamento

impiegato per un test MPI (strumentazione elettrica + polveri) viene usualmente

realizzata impiegando i cosiddetti “indicatori di campo”, ossia strumenti che

misurano l’intensità relativa dei campi magnetici dispersi e che fungono da

calibratori del sistema. Esistono diversi tipi di indicatori (Anello di Ketos,

Piastrine ottagonali, Indicatori artificiali di difettosità AFI, ecc.) dei quali è

possibile trovare descrizioni dettagliate in letteratura o negli standards tecnici.

La piastrina ottagonale (che rappresenta sostanzialmente un indicatore della

direzione del campo magnetico) è costituita da un disco di materiale

ferromagnetico ad alta permeabilità che è separato in sei o otto triangoli e i cui

vertici sono uniti da piccoli gap contenenti materiale non ferromagnetico. I

triangoli sono brasati insieme in modo da formare un esagono, e ricoperti su un

lato maggiore da una lamina di rame di 0.25 mm di spessore. La sonda viene

appoggiata sul pezzo, si procede alla magnetizzazione e si cosparge al sonda

con le particelle magnetiche; la comparsa più o meno nitida dei giunti brasati

indica in quali direzioni il campo può riscontrare efficacemente la presenza di

difetti.

85

Le piastrine ottagonali sono facili da usare e possono essere riutilizzate

indefinitamente senza alcun tipo di deterioramento, tuttavia nel tempo esse

possono conservare un certo magnetismo residuo. Il loro uso è consigliato su

superfici relativamente piatte.

Gli indicatori quantitativi di qualità (QQI, o AFI, indicatori artificiali di

difetto) rappresentano il metodo preferenziale per valutare

contemporaneamente la direzione e l’intensità del campo magnetico qualora si

utilizzi il metodo umido. Dal punto di vista costruttivo, si presentano sotto

forma di piastrine nelle quali è fotoinciso uno specifico pattern (circoli

concentrici, un segno + ecc.). Il QQI deve essere posto in contatto intimo

(impiegando colla o nastro) con la parte da testare e successivamente si

procede alla magnetizzazione con relativa applicazione delle polveri

magnetiche. La visibilità di uno o più segni della piastrina fornisce informazioni

sia sulla direzione del campo e sia sulla sua intensità.

Prima della magnetizzazione Dopo la magnetizzazione

I vantaggi dell’impiego dei QQI comprendono la possibilità di ottenere

informazioni quantitative, il loro virtuale adattamento a qualunque tipo di

configurazione di campo e il loro reimpiego. Per contro essi sono piuttosto

86

delicati, possono essere soggetti a fenomeni di corrosione e il loro utilizzo

prevede una procedura piuttosto lunga.

L’anello di Ketos si impiega per verificare l’efficacia dei campi magnetici

generati da un conduttore disposto in configurazione centrale rispetto ad un

componente cilindrico forato. Esso

consiste in un anello contenente una

serie di fori di diametro 1.75 mm

eseguiti a differente profondità

come mostrato in figura. La corrente

magnetizzante passa attraverso il

centro dell’anello per mezzo di un conduttore e le particelle magnetiche sono

sparse sulla superficie superiore. Il numero di fori che risulta visibile è indice

della sensibilità e risoluzione del sistema. Nella tabella seguente sono riportati

alcuni dati relativi al valore della corrente di magnetizzazione necessaria per

visualizzare il numero minimo di fori indicato.

87

Ultrasuoni

IL METODO ULTRASONICO

Introduzione

È noto che il suono si propaga nei corpi mediante la vibrazione elastica degli

atomi e delle molecole che lo compongono, ad una velocità legata

essenzialmente alle caratteristiche fisico-meccaniche del materiale attraversato.

Tuttavia, la presenza di imperfezioni o disomogeneità che si possono presentare

lungo il percorso delle onde sonore, è causa dell’insorgere di fenomeni

dispersivi (scattering) che si manifestano con la presenza di eco spurie, riverberi

e, in generale, attenuazione energetica. Dunque, la comparsa di tali fenomeni,

qualora essi non siano in qualche modo riconducibili a caratteristiche

intrinseche del materiale, è indizio della presenza di discontinuità che possono

poi rivelarsi veri e propri difetti in gradi di compromettere la funzionalità del

componente. È su questi principi che si basano i controlli non distruttivi con il

metodo ultrasonico (UT).

Come anche la terminologia lascia intuire, nel metodo ultrasonico in linea di

principio dovrebbero essere impiegate onde di frequenza superiore ai 20 KHz

(limite convenzionalmente fissato per definire il campo dell’udibile); tuttavia

neria industriale fanno uso

di onde di frequenza

variabile tra 1 e 20 MHz,

mentre nel campo

dell’ingegneria civile o nel

settore del restauro

monumentale si utilizzano

onde a più bassa frequenza

(nell’ordine delle centinaia di KHz) che si dimostrano più adatte alla

usualmente i CND ultrasonici nel campo dell’ingeg

Rangesubsonico

Rangeudibile

Range ultrasonico

Appicazioniconvenzionali

MicroscopiaUltrasonica

Applicazionialta potenza

0 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

Rangesubsonico

Rangeudibile

Range ultrasonico

Appicazioniconvenzionali

MicroscopiaUltrasonica

Applicazionialta potenza

0 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G

89

penetrazione in materiali incoerenti (quali ad es. il calcestruzzo) o lapidei La

velocità di propagazione delle onde ultrasoniche dipende, come accennato in

precedenza, dal tipo di mezzo testato e varia, per i materiali di interesse

ingegneristico, dai 300 m/s (aria) ai 6000 m/s (acciaio).

Principi fisici

orpo viene perturbato mediante una vibrazione elastica, la

a

t

ne sonora può variare da parecchie migliaia

Quando un c

perturbazione si propaga in esso in un certo tempo (finito) sotto forma di onda

sonora originata dalla

vibrazione delle molecole e

degli atomi che

compongono il materiale.

Come per tutti i fenomeni

ondulatori, è possibile

definire, anche per le onde

frequenza f, grandezze che

sono legate fra loro dalle relazioni qui riportate, nelle quali c rappresenta la

velocità del suono nel mezzo considerato.

Tuttavia, a differenza della luce, le onde

acustiche necessitano per la loro

ico nel quale viaggiare. Ciò spiega perché nel

vuoto non si propaga alcun suono.

La lunghezza d’onda della vibrazio

Lunghezza d’onda

sonore, una lunghezza d’onda λ, un periodo T e un

propagazione, di un mezzo elas

di metri (come ad esempio quella legata al suono emesso da una nave che si

muova nel mare) a valori fino a 10-5 m come nel caso di alcune applicazioni

mediche o industriali. Come già accennato, quando la frequenza è compresa nel

Periodo

Am

piez

za

Tempo o distanza

c = velocità (m/s)

Lunghezza d’onda

Periodo

Am

piez

za

Tempo o distanza

Lunghezza d’onda

c = velocità (m/s)c = velocità (m/s)

Periodo

Am

piez

za

Tempo o distanza

Tf 1

=fc

=λ cT=λT

f 1=

fc

=λ cT=λT

f 1=

fc

=λ cT=λ

90

range 20-20000 Hz si parla di suoni udibili, mentre laddove il valore di 20 KHz

sia oltrepassato si parla di ultrasuoni.

La propagazione delle onde acustiche (siano esse udibili o ultrasoniche) può

avvenire nei materiali secondo differenti modalità: in particolare si parla di

onde longitudinali quando l’oscillazione delle particelle elementari di cui si

compone il materiale avviene parallelamente alla direzione di propagazione

dell’onda stessa, mentre si definiscono onde trasversali quelle per le quali il

fronte d’onda si muove ortogonalmente rispetto alla direzione del movimento

delle particelle eccitate. Un altro tipo di propagazione avviene per mezzo delle

cosiddette onde di superficie (o di Rayleigh) nelle quali le particelle hanno un

moto ellittico e si spostano sulla superficie del materiale penetrando al suo

interno per una distanza non superiore ad una lunghezza d’onda

Direzione di propagazione delle onde

Direzione di propagazione delle onde

ONDE LONGITUDINALI

ONDE di TAGLIODirezionedel moto delleparticelle

Direzionedel moto delleparticelle

Direzione di propagazione delle onde

Direzione di propagazione delle onde

ONDE LONGITUDINALI

ONDE di TAGLIODirezionedel moto delleparticelle

Direzionedel moto delleparticelle

Approfondimenti teorici

Le onde sonore (indipendentemente dalla loro frequenza) si propagano nei

materiali sotto l’influenza di una pressione locale P definita “pressione sonora”

91

che rappresenta, in sostanza, la sovrapressione a cui sono sottoposti gli atomi e

molecole rispetto alla pressione standard atmosferica. Poiché questi sono legati

tra loro in modo elastico, tale sovrapressione si propaga lungo tutto il corpo e,

se si indica con Q la velocità di spostamento delle particelle, si può definire

un’importante grandezza caratteristica del materiale, detta Impedenza Acustica

del mezzo (Z) mediante la seguente relazione:

ospostamentdiVelocitàacusticaPressione

QPZ ==

Si può dimostrare che quando la propagazione avviene senza sfasamento tra

pressione e velocità di oscillazione, l’impedenza acustica può essere espressa in

funzione delle proprietà fisiche del materiale mediante l’espressione

cZ ρ=

nella quale ρ rappresenta la densità del materiale e c la velocità di propagazione

del suono. A titolo di esempio nella seguente tabella sono riportati alcuni valori

tipici di impedenza acustica per alcuni materiali di interesse ingegneristico;

dall’analisi dei dati si rileva la differenza esistente tra i valori di impedenza dei

mezzi aeriformi rispetto a quella, notevolmente più elevata, dei mezzi solidi.

MEZZO VELOCITA’

DI PROPAGAZIONE (m/s)

MASSA VOLUMICA(Kg/m3)

IMPEDENZA ACUSTICA SPECIFICA

DELLE ONDE LONGITUDINALI

(MRayls) Acciaio dolce 5960 7850 46.7 Acciaio inox 5740 7800 44.8 Acqua 1480 1000 1.5 Allumina 10750 3800 40.8 Alluminio 6400 2700 17.3 Araldite 2060 1200 2.5 Aria 332 1.205 0.0004 Carbone 3100 1613 5 Mercurio 1451 13550 19.6 Olio 1440 900 1.3 Oro 3240 19300 63 Ottone 70/30 4372 8450 37 Plexiglas 2670 1180 3.1 Rame 4759 8930 42.5 Resine epossidiche 2600 1211 3.48 Silice 5969 2203 13.1

92

Titanio 5990 4500 27 Tungsteno 5174 19300 100 Vetro 5260 3600 18.9

Tipologia di onde ultrasoniche (modi)

È stato già accennato in precedenza che le onde ultrasoniche possono

propagarsi a seguito di oscillazioni delle particelle perpendicolari alla direzione

di movimento del fronte d’onda (onde trasversali) o parallele ad esso (onde

longitudinali). Tuttavia, quando un fascio ultrasonico incide su una superficie o

su una disomogeneità, possono verificarsi complessi cambiamenti che

modificano il moto delle particelle. In base ad alcune caratteristiche quali

appunto tipo di vibrazione delle particelle, mezzo di propagazione ecc, le onde

ultrasoniche possono essere classificate come riportato nella seguente tabella. In

genere, nei controlli non distruttivi vengono impiegate onde longitudinali o

trasversali, mentre è più limitato l’impiego di onde di Rayleigh, di Lamb ecc.

93

Riflessione e trasmissione delle onde ultrasoniche

È stato già accennato come il controllo non distruttivo mediante ultrasuoni si

basi essenzialmente sull’analisi delle variazioni delle caratteristiche delle onde

riflesse e trasmesse (in particolar modo per ciò che concerne l’impedenza

acustica) allorchè il fascio incontra una discontinuità lungo il suo percorso. A tal

fine giova introdurre la relazione fondamentale che governa la riflessione di

un’onda ultrasonica incidente sulla superficie di separazione tra due mezzi di

impedenza acustica Z1 e Z2 che è stata formulata nel 19° secolo da Poisson e

matematicamente si esprime nella forma:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−

=12

12

ZZZZ

R

analoga relazione può essere scritta per ciò che riguarda il coefficiente di

trasmissione T

( )212

24ZZ

ZT+

=

È interessante osservare che l’impedenza acustica è molto bassa nei gas (circa

quattro ordini di grandezza minore rispetto a quella dei solidi) e ciò comporta

valori del coefficiente di riflessione molto elevati alla superficie di separazione

solido-gas (per esempio acciaio-aria,

caso frequente nella pratica). In sintesi

ciò si traduce nell’impossibilità di far

propagare le onde ultrasoniche nell’aria

dopo che queste hanno attraversato un

materiale solido e questo spiega anche

la necessità di interporre un opportuno

strato di una sostanza solida, liquida o viscosa tra la sorgente di ultrasuoni ed il

pezzo da testare per poter eseguire il controllo in modo efficace.

94

In figura è illustrata, in modo semplificato, la riflessione di un’onda ultrasonica

incidente sulla superficie di separazione tra due mezzi aventi differente

impedenza acustica: l’onda incidente e quella riflessa sono inclinate dello stesso

angolo α1, che è in generale diverso dall’angolo α2 secondo il quale si propaga

l’onda trasmessa. Gli angoli α1 e α2 sono espressi dalla legge di Snell mediante la

relazione:

2

1

2

1

cc

sensen

=αα

nella quale c1 e c2 sono le velocità di propagazione del suono nei mezzi a

contatto. Ciò sotto l’ipotesi che la lunghezza d’onda λ della radiazione sonora

sia molto più piccola della dimensione della lunghezza del contorno che separa

le due superfici.

Cambiamento del modo d’onda alla superficie di separazione tra due mezzi.

Quando un’onda ultrasonica

longitudinale incide sulla superficie di

separazione tra due mezzi a differente

impedenza acustica, essa è parzialmente

riflessa e parzialmente trasmessa

secondo le modalità accennate in

precedenza. Tuttavia, questo non è

l’unico fenomeno che si verifica, infatti una componente dell’onda longitudinale

è convertita in un’onda trasversale riflessa nella regione del mezzo 1 ed in

un’onda trasversale trasmessa nel mezzo 2. Gli angoli β1 e β2 secondo i quali tali

componenti si propagano sono ancora una volta governati dalla legge di Snell a

patto che le velocità presenti nella relazione siano non più quelle relative alle

onde longitudinali ma quelle proprie delle onde trasversali. Poiché le onde

longitudinali viaggiano più velocemente delle trasversali (il rapporto è circa

95

2:1), gli angoli di riflessione e trasmissione β sono in generale minori di quelli α,

come mostrato in figura.

Esiste poi, come per la luce, un angolo di

incidenza cosiddetto “critico” per il quale

l’onda longitudinale incidente è oggetto

di riflessione totale, e dunque in questo

caso non si ha alcun passaggio di energia

ultrasonica al mezzo 2. Questo fenomeno

è frequentemente sfruttato nel campo del

controllo non distruttivo con ultrasuoni per fare in modo che il componente sia

ispezionato con onde pure di taglio. In particolare, ad esempio, quando si

desidera testare un pezzo con sole onde trasversali, si dispone davanti al

trasduttore un prisma di perspex, materiale per il quale l’accoppiamento con

l’acciaio da’ luogo ad un angolo critico di 27.5°.

Attenuazione delle onde ultrasoniche

La propagazione degli ultrasuoni in un corpo, al di là delle turbative create da

eventuali discontinuità, risente dell’interazione tra le onde elastiche e le

particelle della materia che agiscono nella direzione di ridurre

progressivamente il contenuto energetico del fascio.

Una prima causa di tale perdita energetica è intrinseca alla maniera in cui le

onde sono generate dal trasduttore, infatti, come sarà meglio descritto in

seguito, il fascio ultrasonico generato da una sonda, come si vedrà meglio in

seguito, è divergente e ciò comporta una progressiva riduzione della pressione

acustica all’aumentare della distanza dalla sorgente, (che si accompagna ad un

contemporaneo aumento delle dimensioni della zona illuminata).

96

Inoltre, durante l’attraversamento del materiale, le onde ultrasoniche sono

soggette a fenomeni di attenuazione provocati essenzialmente da assorbimento

e scattering che agiscono in maniera dissipativa. Lo scattering, che si verifica

ogniqualvolta il fascio si trova ad impattare con particelle di dimensione

comparabile con la sua lunghezza d’onda, ha come risultato complessivo la

deviazione di parte delle onde incidenti dal percorso originario.

In generale, la riduzione di intensità energetica per un percorso x in un dato

materiale può essere espressa mediante la relazione: x

x eII μ−= 0

nella quale Ix rappresenta l’intensità finale (<I0) dopo l’attraversamento dello

spessore x di materiale, I0 è l’intensità iniziale e μ il coefficiente di assorbimento.

A sua volta, il coefficiente di assorbimento può essere idealmente scomposto

nella somma di due contributi:

sμμμ τ +=

dove μτ rappresenta l’assorbimento “reale”, legato alla frequenza dell’onda

incidente e frutto dalla dissipazione energetica che si genera in forza dell’attrito

molecolare, mentre μs deriva dallo scattering, ed è funzione essenzialmente

della dimensione delle particelle di cui si compone il mezzo attraversato.

Poiché il calcolo dell’attenuazione non è immediato, essendo necessario

conoscere la frequenza dell’onda incidente e il tipo di materiale testato, a titolo

di esempio è bene ricordare che materiali come gli acciai lavorati, le leghe di

alluminio, magnesio, titanio e nickel presentano valori di attenuazione molto

bassi e dunque gli spessori massimi testabili nella pratica sono nell’ordine di

1000-10000 mm, mentre la gran parte dei materiali non metallici (materiali

compositi, gomme, plastiche, resine in genere) e leghe quali ottone, bronzo e le

leghe di zinco e piombo presentano valori di attenuazione nettamente più

97

elevati e quindi gli spessori massimi che è possibile ispezionare si riducono

usualmente a meno di 10 mm.

I trasduttori ultrasonici

Generalità

Fino ad ora la propagazione delle onde ultrasoniche è stata trattata trascurando

volutamente le modalità con le quali esse vengono prodotte, ma è abbastanza

intuitivo che deve esistere un qualche dispositivo deputato a questo compito.

Assolvono tale funzione i trasduttori ultrasonici (comunemente indicati anche

con il termine “sonde”) che, fondamentalmente, altro non fanno che convertire

l’energia ottenuta dall’applicazione di una differenza di potenziale in un’onda

ultrasonica (che è, come detto, essenzialmente una vibrazione meccanica). Nella

maggior parte dei casi ciò avviene grazie all’effetto piezoelettrico (scoperto nel

1880 dai fratelli Curie) che è, come è noto, la proprietà che possiedono alcuni

materiali, come il quarzo ad esempio, di produrre cariche elettriche sulla loro

superficie quando sono soggetti a deformazioni meccaniche. Il fenomeno

inverso secondo il quale un materiale piezoelettrico posizionato tra due

elettrodi cambia forma quando viene sottoposto ad una differenza di

potenziale, fu accertato nel 1881 e prende il nome di effetto piezoelettrico inverso.

Nel settore dei controlli non distruttivi con ultrasuoni, il primo fenomeno viene

sfruttato per la misurazione vera e propria, mentre il secondo è impiegato per la

produzione di vibrazioni meccaniche, deformazioni e oscillazioni mediante

applicazione di singoli impulsi elettrici di breve durata (con transitorio di

ascesa < 10 ns).

98

Dal punto di vista costruttivo, l’elemento attivo piezoelettrico è incorporato

nella struttura del trasduttore secondo differenti tipologie costruttive: tra le

sonde più comunemente utilizzate possono essere citate le cosiddette “sonde

verticali” le quali producono onde ultrasoniche longitudinali che si propagano

in direzione ortogonale rispetto a quella della superficie di ingresso del fascio

(angolo di incidenza del fascio 0°). La struttura generale di un trasduttore di

questo tipo (schematizzata nella figura seguente) consta di un disco oscillatore

(l’elemento sensibile) di uno strato protettivo e di un blocco di smorzamento,

oltre che di un involucro rigido metallico e di tutte le connessioni elettriche

necessarie per il collegamento della sonda con i sistemi di acquisizione e

controllo.

Come accennato, il cuore del

trasduttore è rappresentato

dall’elemento radiante, che si

presenta in forma di piastra

sottile di spessore è

determinato dalla frequenza

delle onde che si desidera

generare. I materiali con il

quale si realizzano attualmente i trasduttori ultrasonici sono, in generale

appartenenti alla famiglia dei piezo-ceramici polarizzati e la scelta di una

sostanza piuttosto che di un’altra viene fatta in base a considerazioni che

coinvolgono l’analisi di parametri quali densità, velocità del suono, impedenza

acustica, costante di deformazione piezo-elettrica, qualità meccanica, costante

dielettrica ecc. In generale i materiali più impiegati sono il Titanato-Zirconato di

Piombo, il Titanato di Bario, il Metaniobato di Piombo e il Solfato di Litio. I

cristalli di quarzo (primo elemento sul quale è stata accertata l’esistenza

Connettore

CollegamentiElettrici

Contenitore

Strato ProtettivoElemento attivo

BloccoSmorzatore

Connettore

Elettrodi

Connettore

CollegamentiElettrici

Contenitore

Strato ProtettivoElemento attivo

BloccoSmorzatore

Connettore

Elettrodi

99

dell’effetto piezoelettrico) sono attualmente in disuso poiché le ceramiche citate

presentano caratteristiche di gran lunga migliori dal punto di vista delle

prestazioni fornite ai fini ultrasonori.

Un fattore estremamente importante ai fini della scelta del trasduttore è

rappresentato dallo smorzamento dell’oscillatore una volta che l’impulso di

onde meccaniche è stato prodotto. Nel quarzo, ad esempio, lo smorzamento

intrinseco è scarso, e ciò da’ luogo ad impulsi abbastanza lunghi che impiegano

molto tempo ad estinguersi. Questo fatto rappresenta un serio limite alle

prestazioni del sistema, poiché il cristallo non può ricevere onde di ritorno

finché l’impulso emesso non si è annullato. Per contro materiali più moderni

come il PZT5 (Soluzione solida di Titanato e Zirconato di Piombo) possiedono

ottime caratteristiche di smorzamento. Tuttavia occorre sottolineare che un

grosso contributo alle caratteristiche di smorzamento dell’intera sonda è fornito

dal blocco che viene posizionato immediatamente a contatto dell’elemento

attivo (backing) e del quale si tratterà più in dettaglio in seguito.

Le superfici dell’oscillatore sono ricoperte con un sottile strato metallico in

modo tale che sia garantito il comportamento da elettrodo; occorre, tuttavia,

prestare particolare attenzione alla realizzazione di tale copertura in modo tale

da evitare che sia troppo spessa e che, dunque, possa alterare in qualche misura

le oscillazioni.

Il blocco smorzatore, che assorbe gran parte dell’energia emessa dalla piastra

oscillante, è costituito da materiale ad alta densità e ad impedenza acustica

molto simile (se non identica) a quella dell’elemento attivo per evitare

indesiderate riflessioni alla superficie di separazione. I migliori risultati si

ottengono con misture di resine e materiali metallici polverizzati, come ad

esempio il tungsteno, in varie proporzioni; spesso la composizione di tale

componente è tenuta segreta dalle ditte costruttrici, poiché in molti casi sono

100

proprio le caratteristiche di smorzamento a fare la differenza tra un buon

trasduttore ed uno scadente.

L’elemento radiante è protetto dal mondo esterno mediante rivestimento con

uno strato cosiddetto “di usura” (a volte indicato con il nome di “zeppa” o

“scarpa”) che provvede ad evitare il danneggiamento accidentale, o causato

dall’uso, nonché la contaminazione con agenti solidi o liquidi che potrebbero

alterare le proprietà del cristallo. Nelle sonde non soggette ad impieghi

particolarmente gravosi, uno strato di ossido di allumino o titanio può fornire

una protezione sufficiente allo scopo, mentre se si ha a che fare con ambienti

particolarmente aggressivi, si può provvedere alla sovrapposizione di una

piastrina di materiale plastico (perspex o lucite) che può essere facilmente

sostituita quando eccessivamente deteriorata. Nelle sonde ad immersione (che

non vengono poste a diretto contatto col pezzo da testare) l’elemento attivo è

semplicemente rivestito da uno strato di resina epossidica.

Campo acustico di una sonda ultrasonica: trasduttori piani (“flat”) e focalizzati

L’intensità delle onde ultrasoniche all’interno del fascio generato dal

trasduttore non è costante, ma varia a causa delle dimensioni finite della

sorgente che danno luogo a fenomeni di diffrazione. Sebbene la

rappresentazione del fascio ultrasonico emesso sia complessa e non facilmente

rappresentabile, la schematizzazione più comunemente accettata è quella

riportata nella figura sotto ripotata.

Se si ipotizza che il trasduttore sia cilindrico con diametro Δ, il fascio

ultrasonico appare caratterizzato da una prima zona (detta campo prossimo) nella

quale l’intensità è fluttuante tra un valore minimo ed uno massimo. All’interno

del campo prossimo, la distanza corrispondente al tempo di durata

dell’impulso si definisce “zona morta” poiché, come accennato in precedenza,

101

in questo spazio non è possibile ottenere alcuna informazione a causa della

sovrapposizione tra impulso emesso e riflesso.

La lunghezza del campo prossimo N è funzione, oltre che del diametro del

trasduttore, della lunghezza d’onda secondo la relazione:

λ4

2Δ=N

quindi essa è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda. Ciò significa

che, a parità di materiale testato, sonde ad alta frequenza possiedono una

lunghezza di campo prossimo più grande.

Il fascio ultrasonico, superata la zona del campo prossimo tende a presentare

caratteristiche di maggiore stabilità e, dal punto di vista geometrico, si fa

evidente la tendenza a divergere secondo un angolo α definito dall’equazione:

Δ=

λα 22.1sen

Questa regione è definita campo lontano e in essa l’energia ultrasonica decresce

gradualmente fino ad annullarsi

Tuttavia esiste una particolare classe di trasduttori, detti focalizzati nei quali le

onde ultrasoniche vengono direzionate impiegando opportuni sistemi di “lenti

acustiche” oppure (come capita più di frequente) modellando opportunamente

la superficie dell’elemento radiante in modo tale che l’emissione sia concentrata

virtualmente su una linea (focalizzazione cilindrica) o su un punto

102

(focalizzazione sferica). I trasduttori focalizzati vengono impiegati

essenzialmente nelle ispezioni in

immersione e consentono di ottenere

elevati livelli di risoluzione che sono

richiesti in modo particolare quando si

eseguono scansioni automatizzate di

provini anche a geometria complessa.

Dal punto di vista delle proprietà del

campo acustico, i trasduttori focalizzati sono caratterizzati dai seguenti

parametri:

Focalizzazione cilindrica Focalizzazione sfericaFocalizzazione cilindrica Focalizzazione sferica

• Il diametro focale BD a -6dB (riduzione dell’ampiezza del segnale del

50%) che è espresso dalla relazione

Δ

=− fcFBD dB

02.1)6(

Dove F indica la lunghezza focale del trasduttore, c la velocità del suono nel

mezzo, f la frequenza dell’onda e Δ il diametro del trasduttore.

• La lunghezza della zona focale FZ, che esprime in sostanza la

dimensione della regione spaziale nella quale il fascio si mantiene a

sezione costante e pari al diametro BD

( )⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

+⋅⋅=F

FZ SSNF 5.0122

espressione nella quale N è la

lunghezza del campo prossimo e SF la

cosiddetta lunghezza focale

normalizzata che si ottiene dal

rapporto tra lunghezza focale e lunghezza del campo prossimo.

103

I mezzi accoppiatori

Per garantire una efficace trasmissione delle onde ultrasoniche dall’elemento

radiante al componente da testare, è necessario interporre tra questo e la

superficie del pezzo, uno strato costituito da una sostanza (liquida o gelatinosa)

che viene detta “mezzo accoppiatore” (in inglese “couplant”). Il mezzo

accoppiatore provvede a fornire un opportuno passaggio per l’onda ultrasonica

dalla superficie radiante del trasduttore fino al materiale ed evita che l’onda

ultrasonica possa essere completamente riflessa a causa della presenza di aria

che possa trovarsi immediatamente a contatto con il trasduttore. Questo poiché

il basso valore di impedenza acustica dell’aria fa si che un’interfaccia solido-aria

si trasformi in un perfetto specchio riflettente per le onde sonore impedendone,

di fatto, la penetrazione nel materiale.

Le qualità che dovrebbe possedere un buon mezzo accoppiatore sono:

• inumidire opportunamente le superfici del trasduttore e del pezzo da

testare

• escludere qualunque bolla d’aria dal percorso del raggio sonoro

• riempire tutte le irregolarità presenti nella superficie del pezzo per creare

una regione di ingresso regolare

• consentire il libero movimento della sonda

• essere facile da applicare e da rimuovere e non essere tossico

Il mezzo accoppiatore per eccellenza è l’acqua, in quanto questa sostanza

riassume in sé tutte le caratteristiche sopra descritte ed in più ha costo quasi

nullo. In molte situazioni, tuttavia, l’acqua può non essere la soluzione ottimale

di accoppiamento sia per la sua scarsa viscosità (che ne impedisce, per esempio,

l’impiego su superfici verticali) e sia per la possibilità che insorgano fenomeni

di corrosione o danneggiamento del componente testato. In tali situazioni, si

104

preferisce utilizzare sostanze più viscose come ad esempio la glicerina o (sia in

forma pura e sia in forma di gel misti con acqua) oppure il silicone, l’olio, grassi

di varia natura o la colla per carta da parati.

Occorre tenere presente che lo strato di accoppiatore tende ad attenuare (in

diversa misura in funzione della sostanza impiegata) l’energia dell’onda

incidente e quindi il suo spessore non dovrebbe essere mai troppo elevato.

Considerazioni sulla scelta del trasduttore

La selezione del trasduttore ottimale per un certo tipo di controllo, dipende in

larga misura dalle caratteristiche del materiale da testare e, in particolare, dalle

sue capacità di attenuazione dell’energia ultrasonica. In generale le onde

ultrasoniche ad alta frequenza

presentano migliori

caratteristiche per ciò che

riguarda la risoluzione, ossia la

capacità di fornire indicazioni

distinte per riflettori localizzati

spazialmente ad una certa

distanza l’uno dall’altro, mentre

le onde di bassa frequenza sono

maggiormente in grado di penetrare elevati spessori di materiale o (ciò che è lo

stesso) di consentire l’esecuzione di indagini su materiali fortemente assorbenti

come gomme, plastiche ecc. Nella figura è rappresentato il segnale ultrasonico

così come monitorato dall’oscilloscopio nei due casi limite citati. Quando si

impiegano frequenze basse, il segnale è ricco di picchi corrispondenti alle

riflessioni multiple del fascio ultrasonico sulle pareti del provino, mentre nel

caso di frequenze elevate il passaggio continuo all’interno del materiale

Basse frequenze Alte frequenze

Elevato livello di penetrazioneScarsa risoluzione spaziale

Basso livello di penetrazioneElevata risoluzione spaziale

Basse frequenze Alte frequenze

Elevato livello di penetrazioneScarsa risoluzione spaziale

Basso livello di penetrazioneElevata risoluzione spaziale

105

impoverisce rapidamente l’onda del suo contenuto energetico. Per contro, la

presenza di più difetti (tre nel caso in esame) viene percepita sotto forma di una

unica e indistinta eco nel caso delle frequenza basse, mentre l’elevata

risoluzione spaziale che caratterizza le onde ad altra frequenza consente di

localizzare in modo inequivocabile tutti i difetti presenti nel pezzo.

Le tecniche “pulse-echo” e “through-transmission”

Le onde ultrasoniche possono propagarsi attraverso spessori di materiale anche

di alcuni metri (come ad. es. accade per l’acciaio a grana fine) o molto limitati

(materiali molto assorbenti quali gomme, plastica ecc.) dunque è importante

scegliere la giusta tecnica di controllo in funzione della tipologia del

componente, del materiale di cui è composto, della sua geometria e

dell’accessibilità delle sue estremità. In generale, i CND eseguiti con il metodo

ultrasonico si suddividono in due grandi famiglie:

1. Tecniche “pulse-echo” (o “eco-impulso”)

2. Tecniche “through-transmission” (“ in trasmissione”)

La differenza sostanziale tra questi due metodi risiede nel fatto che nel primo

caso le onde ultrasoniche investono il pezzo da testate, penetrano in esso e

vengono riflesse e rifratte dalle superfici che delimitano il componente stesso.

Sono proprio le riflessioni interne (eco) che vengono esaminate e forniscono

informazioni sulla presenza di eventuali difetti nel pezzo. Nelle tecniche in

trasmissione, invece, si esamina esclusivamente l’onda che ha attraversato il

corpo senza tenere in considerazione le eco riflesse.

Dal punto di vista pratico, l’impiego di un metodo piuttosto che di un altro

dipende dalle considerazioni generali di cui si è accennato in precedenza. Per

esempio, è chiaro che laddove sia accessibile una sola superficie del pezzo,

risulterà impossibile eseguire un’analisi in trasmissione, mentre il controllo di

106

un pezzo altamente assorbente

potrà essere realizzato più

vantaggiosamente con una

tecnica in trasmissione poiché

l’uso di quella a riflessione

comporterebbe un maggior

percorso dell’onda ultrasonica

all’interno del materiale con

conseguente insorgere di

importanti fenomeni di

attenuazione che possono

ridurre sensibilmente il rapporto segnale/rumore.

Nella figura sono proposti alcuni schemi di controllo con le due tecniche. Con T

è indicato il trasduttore che funge da trasmettitore (emissione) mentre con R si

indica il trasduttore che ha il compito di raccogliere le onde che hanno

attraversato il pezzo. Nello schema a) è proposto un controllo in riflessione che

impiega un solo trasduttore (che incorpora in sé le funzioni T ed R). L’onda

ultrasonica viene emessa dal trasduttore, attraversa il materiale e viene riflessa

sia dalla superficie opposta del pezzo (“Echo Rear Wall”) che dal difetto. Il

segnale ultrasonico, che è monitorabile su un comune oscilloscopio, mostra

dunque tre tracce distinte e facilmente identificabili. La

posizione del difetto può essere determinata semplicemente

a partire dalla conoscenza della velocità del suono nel

mezzo c (che è nota se si conosce il tipo di materiale testato) e dal tempo

impiegato all’onda per essere riflessa dalla discontinuità (che è rilevabile sul

display dell’oscilloscopio). Quest’ultima grandezza è spesso definita tempo di

volo (“Time of Flight” TOF). La relazione qui a lato esprime la distanza del

2TOFcS ⋅

=

107

difetto dalla superficie di ingresso del pezzo in funzione delle grandezze

sopracitate. Il termine ½ rende conto del fatto che l’onda percorre la stessa

distanza due volte (in andata e ritorno).

Lo schema di controllo b) rappresenta la classica situazione di impiego della

tecnica in trasmissione, che prevede l’impiego di due trasduttori uno dei quali

emette il fascio di onde ultrasoniche (T) mentre l’altro, posto sulla superficie

opposta a quella di ingresso delle onde, raccoglie le onde stesse dopo che esse

hanno attraversato il pezzo e sono state riflesse dalle eventuali discontinuità

incontrate lungo il percorso. In questo caso, il segnale trasmesso presenta

un’ampiezza il cui valore è diminuito (rispetto a quello di ingresso) di una

quantità che è proporzionale alla geometria del difetto presente. In questo caso

è assolutamente indispensabile avere accesso ad entrambi i lati del componente.

Lo schema c) rappresenta, invece, un controllo in riflessione che fa uso di due

trasduttori (tecnica cosiddetta del “pitch-catch”) nel quale le due sonde sono

poste sullo stesso lato del pezzo ma agiscono una da trasmettitore ed una da

ricevitore. Questa disposizione consente di eseguire controlli con sonde a fascio

angolato e si dimostra particolarmente vantaggiosa nel caso di difetti orientati

verticalmente, che risultano difficilmente rilevabili da un fascio ultrasonico

orientato nella stessa direzione della discontinuità.

Il metodo pulse-echo è probabilmente quello più largamente impiegato sia nel

settore industriale sia nelle applicazioni di laboratorio. Un setup tipico per

controlli di questo tipo è rappresentato nella figura a lato. Un trasduttore viene

posto a contatto con la superficie del pezzo da testare per il tramite di uno

strato di mezzo accoppiatore. Come illustrato in precedenza, questo non è altro

che una sostanza liquida o gelatinosa (acqua, gel ecografici a base di glicerina,

olio, etc.) che ha la funzione di realizzare assoluta continuità tra il trasduttore e

il pezzo (condizione necessaria affinché il segnale ultrasonico in ingresso sia

108

quello ottimale). In alternativa il

componente può essere

completamente immerso in un

liquido (acqua ad esempio) e in

tal caso il trasduttore (che sarà

immerso anch’esso) non deve

essere posto a contatto della

superficie del corpo. Il

trasduttore genera le onde

ultrasoniche sotto forma di

impulsi che vengono riflessi

dalla superficie opposta del

pezzo o da eventuali discontinuità presenti al suo interno e raccolti dallo stesso

trasduttore (che dunque in questo caso agisce da ricevitore). Il tempo necessario

all’impulso per percorrere la distanza tra le due superfici opposte dell’oggetto è

mostrato sul display dell’oscilloscopio e, per garantire una più facile leggibilità

del segnale, gli impulsi sono inviati ad intervalli di tempo regolari.

Amplificatore

Oscilloscopio

Ampi

ezza

Tempo

Generatoredi Impulsi

Trigger Passotemporale

Sonda T/RMezzo accoppiatore

Oggetto da esaminare

Amplificatore

Oscilloscopio

Ampi

ezza

Tempo

Generatoredi Impulsi

Trigger Passotemporale

Sonda T/RMezzo accoppiatore

Oggetto da esaminare

La presenza di un difetto da’ origine ad un segnale che si colloca

temporalmente in anticipo rispetto alla eco legata alla riflessione del fascio

ultrasonico sulla superficie del pezzo opposta a quella di ingresso

Interpretazione del segnale

La comparsa di una eco inattesa sul display dell’oscilloscopio non è di per sé

informazione sufficiente per attestare che il pezzo è caratterizzato da difettosità.

Occorre, piuttosto, procedere ad una fase di interpretazione da parte del tecnico

che esegue il controllo, che tenga conto delle caratteristiche intrinseche del

campione esaminato e delle condizioni sotto le quali il test si svolge.

109

Prima di affrontare l’analisi di alcuni casi semplici di difettosità che si

presentano comunemente nella pratica, occorre tenere presente alcune regole

generali elencate di seguito:

• L’oscilloscopio fornisce una rappresentazione grafica del segnale

ultrasonico nella quale in ordinate è riportata l’ampiezza del segnale e in

ascisse il tempo.

• I trasduttori sono indicati con le lettere T (trasmettitore) ed R (ricevitore).

Le sonde che incorporano le due funzioni in un unico trasduttore sono

indicate con T/R

• I fasci ultrasonici ad incidenza normale (0°) sono composti da onde

longitudinali (di compressione)

• I fasci ultrasonici angolati sono generalmente composti da onde

trasversali (“shear waves”) mediante un fascio longitudinale rifratto.

• L’impulso ultrasonico iniziale (emissione) è registrato sull’oscilloscopio

al tempo t=0

• Il fascio ultrasonico si propaga con un angolo di divergenza noto

Nelle figure che seguono sono mostrate alcune indicazioni ottenute per

differenti tipi di discontinuità: nel caso di difetti isolati singoli occorre osservare

che solo le discontinuità che sono orientate perpendicolarmente al fascio

producono una eco chiaramente visibile sull’oscilloscopio, mentre quelle

disposte secondo la direzione di propagazione risultano essere praticamente

invisibili al controllo. Inoltre, l’ampiezza della eco generata dalla riflessione sul

difetto risulterà di ampiezza più o meno elevata in funzione del fatto che le

superfici che lo delimitano siano rugose o lisce. I difetti disposti secondo

orientazioni casuali nei confronti della superficie di ingresso possono essere

individuati impiegando trasduttori angolati che generano fasci ultrasonici

inclinati secondo angoli variabili a piacere.

110

Difetti isolatiDifetti isolati

Nel caso in cui nel pezzo siano presenti più discontinuità, l’oscilloscopio mostra

tracce distinte delle due eco riflesse solo nel caso in cui la posizione dei difetti

sia tale che uno non oscuri l’altro (come visibile nel riquadro destro della

figura). Anche in questo caso, l’ampiezza del segnale è legata alle caratteristiche

geometriche del difetto nonché alla sua tipologia.

Difetti multipliDifetti multipli

Il controllo ultrasonico “in immersione”

La tecnica ultrasonica di controllo in immersione consiste, come la terminologia

stessa suggerisce, nell’immergere completamente il pezzo da testare in acqua (o

111

altro idoneo mezzo accoppiatore) prima dell’esecuzione dell’analisi. Tale

procedura consente di ottenere alcuni indubbi vantaggi che possono essere

sintetizzati come segue:

• L’accoppiamento tra sonda e pezzo è assolutamente costante e uniforme

(e ciò garantisce una altrettanto uniforme sensibilità e stabilità del

segnale)

• Possono essere testati pezzi aventi anche geometria complessa

• Possono essere impiegati sistemi di ispezione automatizzati

• La possibilità di impiegare sonde focalizzate aumenta la risoluzione e la

sensibilità del sistema

Una variante del metodo, che può essere facilmente realizzata anche senza

dover immergere completamente il pezzo in acqua, consiste nell’impiegare

particolari sistemi (detti squirter o bubbler) che sostanzialmente non sono altro

che dei piccoli tubi che vengono collegati solidalmente alla sonda e ad una linea

di alimentazione idrica, e provvedono a fornire un getto continuo e costante di

acqua che va a bagnare solo la regione ispezionata in quel dato momento dalla

sonda.

Quando si eseguono

controlli in immersione

con sonde focalizzate,

occorre tenere presente

che il fascio ultrasonico si

propaga in due mezzi a

diversa impedenza

acustica (l’acqua e il

materiale di cui e’

Aria

Acqua

Punto focale nel provino

Punto focalein acqua

Trasduttore

Aria

Acqua

Punto focale nel provino

Punto focalein acqua

Trasduttore

Aria

Acqua

Punto focale nel provino

Punto focalein acqua

Trasduttore

112

composto il pezzo) e ciò modifica sensibilmente la lunghezza focale.

Nella figura è illustrato il comportamento sopra accennato: il trasduttore ha una

lunghezza focale f (in acqua, dato fornito dal costruttore); che ,quando il fascio

incide sul materiale da testare, (di impedenza acustica Z2) si riduce di una

quantità che può essere ricavato note le velocità di propagazione nell’acqua e

nel materiale VA e VM . In particolare è vera l’uguaglianza

Wp+(VM/VA)Md=f

Da questa relazione è possibile ricavare la posizione del punto focale nel

materiale o, eventualmente, stabilire quale percorso devono realizzare le onde

ultrasoniche in acqua al fine di focalizzare il fascio su un particolare punto del

provino. A titolo di esempio giova ricordare che per un provino in acciaio

immerso in acqua, il termine (VM/VA) vale circa 4.

Interpretazione del segnale oscilloscopico nelle prove in immersione

Nella figura seguente è rappresentata schematicamente l’esecuzione di una

prova ultrasonora in immersione. Il provino, nel quale è presente un difetto,

viene immerso in un contenitore pieno di acqua e sottoposto a scansione con

una sonda longitudinale ad incidenza normale. L’oscilloscopio mostra un primo

picco che è legato all’impulso di emissione del trasduttore (tratteggiato in

figura) e un picco di ampiezza minore che rappresenta la prima riflessione sulla

superficie di ingresso del fascio; la diminuzione di ampiezza che si registra è

dovuta all’assorbimento da parte dell’acqua. Il fascio, che è stato parzialmente

riflesso dalla superficie di ingresso e ha prodotto la traccia di ritorno

visualizzata nel primo picco, è in parte trasmesso all’interno del componente e

prosegue la sua corsa fino ad incontrare la discontinuità che, in quanto

elemento a diversa impedenza acustica, genera anch’esso una parziale

riflessione e trasmissione. La riflessione evidenzia un secondo picco

113

(tratteggiato) che, come si può intuire, compare solo nel momento in cui almeno

una porzione del fascio ultrasonico va ad incidere sul difetto, mentre nelle

restanti regioni del pezzo si evidenzia una terza eco causata dalla riflessione del

fascio sulla superficie inferiore del materiale. Poiché la successione delle

riflessioni è caratterizzata quantitativamente dal tempo al quale esse si

presentano (facilmente deducibile dalla scala delle ascisse dell’oscilloscopio) e

sono note le velocità di propagazione del suono nell’acqua e nel materiale, è

immediato risalire alla localizzazione spaziale del difetto.

Sonda longitudinaleAria

Acqua

ImpulsoIniziale

RiflessioneAcqua-materiale Difetto Superficie

Inferiore

TempoAmpi

ezza

Difetto

Sonda longitudinaleAria

Acqua

ImpulsoIniziale

RiflessioneAcqua-materiale Difetto Superficie

Inferiore

TempoAmpi

ezza

Difetto

Sonda longitudinaleAria

Acqua

ImpulsoIniziale

RiflessioneAcqua-materiale Difetto Superficie

Inferiore

TempoAmpi

ezza

Difetto

114

Radiografia

IL METODO RADIOGRAFICO

Introduzione

La radiografia è la tecnica che consente di ottenere informazioni sul contenuto

di un solido mediante impressione di un elemento sensibile (tipicamente una

pellicola) da parte di radiazioni ionizzanti quali raggi X o raggi γ. L’immagine

ottenuta è una proiezione bidimensionale del volume e dunque, come tale, non

offre alcuna informazione sulla posizione (in termini di profondità) delle

discontinuità incontrate dal fascio incidente durante il suo percorso. Il

meccanismo di formazione dell’immagine è legato al differente assorbimento

delle radiazioni nel pezzo in funzione della variazione di spessore, dei diversi

costituenti chimici, di disuniformità nella densità, della presenza di difetti o di

eventuali fenomeni di scattering.

La radiografia rappresenta uno dei più importanti e versatili metodi di

controllo non distruttivo attualmente adottati nell’industria; impiegando

radiazioni che non alterano la struttura chimico-fisica del pezzo o le sue

proprietà meccaniche, fornisce una registrazione permanente dell’esame che

contiene informazioni essenziali per la valutazione dell’integrità strutturale.

Milioni di radiografie, nel corso delle ultime decadi, hanno consentito alle

industrie di assicurare l’affidabilità dei loro prodotti e, in applicazioni

particolarmente critiche, di salvare o proteggere vite umane.

Tuttavia, poiché sono anche ragioni di tipo economico che giustificano

l’impiego di un metodo NDT piuttosto che di un altro, il valore aggiunto della

radiografia risiede, in qualche modo, nelle sue capacità di incrementare il livello

di profitto dell’azienda che utilizza questa tecnica. Da questo punto di vista, la

possibilità di impiegare i raggi X in qualunque fase del processo produttivo, si

riflette, in termini di benefici economici, sull’intero ciclo produttivo, dalla

116

progettazione, alle lavorazioni, assicurando un costante ed elevato livello

qualitativo dei prodotti e, in definitiva, la massima soddisfazione per i

committenti.

La radiografia industriale è tremendamente versatile: gli oggetti radiografabili

possono essere di dimensioni ridottissime (come componenti elettronici

miniaturizzati) o elevatissime (missili, parti di aeromobili ed altri componenti

dell’industria aerospaziale, petrolchimica o nucleare) ed essere costituiti di

qualunque tipo di materiale (solido, liquido, organico o inorganico). Per venire

incontro alle crescenti esigenze dell’industria, inoltre, la ricerca nel settore della

tecnologia applicata al metodo RT è in continua evoluzione: sorgenti sempre

più potenti e leggere si affacciano sul mercato, e i processi di trattamento degli

esiti delle indagini RT diventano sempre più raffinati, rapidi e meno costosi.

Negli ultimi anni, con l’avvento dell’era digitale, anche la radiografia ha visto

mutare significativamente le sue caratteristiche e, al giorno d’oggi, non è

infrequente constatare che molte industrie hanno abbandonato il tradizionale

film ed il laboratorio chimico per passare a schermi sensibili capaci di trasferire

in tempo reale le immagini su PC per archiviarle permanentemente in formato

digitale.

Natura dei raggi X

I raggi X sono una forma di radiazione elettromagnetica così come lo è la luce,

ma da essa si differenziano per la loro ridottissima lunghezza d’onda, che è

all’incirca 10000 volte inferiore rispetto alla luce visibile. Proprio questa

caratteristica è responsabile della loro capacità di penetrare sostanze che

usualmente riflettono o assorbono la luce. I raggi γ (che vengono anch’essi

impiegati per il controllo non distruttivo industriale) presentano caratteristiche

molto simili ai raggi X, ma sono estremamente diversi per il modo in cui

117

vengono generati. Infatti essi sono il prodotto della disintegrazione dei nuclei

di isotopi radioattivi e la loro qualità (in termini di lunghezza d’onda e potere

penetrante) e intensità non possono essere controllate dall’operatore.

Raggi X e i raggi γ godono delle seguenti proprietà:

• possono penetrare nella materia;

• sono assorbiti in maniera differenziale;

• si propagano in linea retta;

• producono degli effetti fotochimici sulle emulsioni fotografiche;

• ionizzano il gas attraversato;

• non sono deviati da campi elettrici e magnetici;

• la loro velocità di propagazione è uguale a quella della luce;

• possono liberare elettroni per effetto fotoelettrico;

• provocano la fluorescenza di alcune sostanze

Dal punto di vista operativo, sia che si impieghi una radiazione X o una γ

questa, dopo essere stata generata da una sorgente, deve investire l’oggetto e la

lastra (che è posta dietro il pezzo) e dunque è assolutamente necessario avere

libero accesso ad entrambi i lati; ciò, a volte, può rappresentare una seria

118

limitazione all’applicazione della tecnica. Altra differenza è che la distribuzione

spettrale (contenuto energetico delle diverse frequenze monocromatiche che

compongono la radiazione) è molto diverso nei due casi e ciò porta ad alcune

differenze in particolare per ciò che concerne le prestazioni ottenibili dai due

tipi di esame, come meglio verrà illustrato in seguito. Prima di introdurre alcuni

brevi cenni storici sul metodo radiografico e le procedure di indagine, giova

richiamare alcune terminologie standard definite nelle norme ASTM. In

particolare si definisce:

• Radiologia, la scienza e l’applicazione di raggi X, raggi γ o altre radiazioni

penetranti

• Ispezione radiografica o Esame Radiologico, l’uso di raggi X o γ al fine di

determinare la presenza di discontinuità in un materiale

Nella pratica si definisce come ispezione radiografica anche la procedura di

registrazione dell’immagine generata dal passaggio di radiazioni penetranti su lastra

sensibile.

Breve storia della radiografia industriale

Prima di analizzare in dettaglio la struttura degli apparecchi radiografici,

possiamo riferirci al seguente esempio di natura sperimentale per meglio

chiarire la genesi e la natura dei raggi X. Supponiamo di avere un filo di

materiale conduttore e di renderlo incandescente (per effetto Joule) mediante il

passaggio di una opportuna corrente. Gli elettroni eccitati dall’ apporto di

energia riescono a staccarsi dall’atomo e a fuoriuscire dal conduttore. Se

poniamo ad una certa distanza dal filo una piastrina di metallo caricata

positivamente gli elettroni fuoriusciti dal conduttore verranno attratti e

cadranno sulla piastrina con una velocità, e quindi con un energia, direttamente

proporzionale alla differenza di potenziale esistente tra conduttore e piastrina.

119

In altre parole maggiore è la differenza di potenziale più alta è l’energia degli

elettroni. Quando un elettrone arriva sulla piastrina può urtare contro un

elettrone di un atomo del materiale oppure non urta altri elettroni, ma viene

deviato passando nelle vicinanze di un atomo. In entrambi i casi, la maggior

parte dell’energia liberata viene emessa sotto forma di radiazione nell’intervallo

dell’infrarosso come calore, mentre una piccola parte sotto forma di onde

elettromagnetiche a lunghezza d’onda ridotta e frequenza elevata chiamate

appunto raggi X. La prova dell’esistenza dei raggi X si deve a W.C. Roentgen

che nel 1895, a seguito dell’osservazione di fenomeni di la fluorescenza in

alcuni cristalli disposti in prossimità di un tubo catodico, riuscì a caratterizzare

sistematicamente la tipologia e le proprietà delle radiazioni penetranti. Agli

inizi del ‘900 comparvero i primi apparecchi (tubi) in grado di generare raggi X,

che tuttavia erano molto inaffidabili, difficili da controllare e producevano

radiazioni di intensità molto bassa. Il primo vero salto tecnologico nella storia

della radiografia si conseguì con l’invenzione dei tubi sottovuoto (Coolidge,

1913) che consentivano di raggiungere energie dell’ordine dei 100 kV. L’ASME

nel 1931 accettò il metodo radiografico quale strumento di controllo delle

radiografie nei recipienti in pressione. Nel 1931 la General Electric produsse il

primo apparecchio ad alto voltaggio (1000 kV), mentre il salto verso il milione

di Volt si ebbe negli anni ’40. Attualmente esistono apparecchi da 6 MV e oltre

che possono essere impiegati per usi industriali (per esempio per l’analisi di

getti o forgiati di dimensioni ragguardevoli)

I principi fisici

Raggi X

Come accennato in precedenza, un modo semplice e molto diffuso di produrre

raggi X consiste nel far collidere un fascio di elettroni su un bersaglio solido;

120

questo è il principio del tubo di Coolidge (il primo sistema di produzione di

raggi X) il cui schema è riportato sinteticamente in figura.

Il tubo altro non è che un’ampolla di vetro nella quale è praticato il vuoto spinto

(la pressione interna è dell’ordine dei 10-2 MPa) contenente due elettrodi: il

catodo, o elettrodo negativo, che costituisce la sorgente di elettroni, è costituito

da un filamento di tungsteno avvolto a spirale e da una cupola di

concentrazione (schermo focalizzante). All’estremità opposta si trova una

placchetta di tungsteno che costituisce l’anodo o elettrodo positivo. Il filamento

di tungsteno, riscaldato fino all’incandescenza da una corrente di debole

intensità alimentata da un piccolo trasformatore, emette un fascio di elettroni

che si dirige verso l’anodo (caricato positivamente). Questo tipo di emissione di

elettroni, che avviene a partire da un filamento riscaldato, è chiamata “effetto

termoionico”; l’esperienza e la teoria mostrano che l’emissione termoionica è

funzione della temperatura del filamento. Gli elettroni liberati dal filamento

sono successivamente attratti verso il bersaglio con velocità dipendente dalla

differenza di potenziale fornita ai due capi del sistema. L’emissione dei raggi X

è dovuta all’interazione tra gli elettroni (che prendono anche il nome di “raggi

catodici”) con gli atomi del bersaglio anodico e il passaggio di essi verso

l’esterno del tubo è assicurato da “finestre” metalliche realizzate con sottili fogli

di berillio od alluminio (metalli che possiedono un basso coefficiente di

assorbimento verso i raggi X). Presso il bersaglio deve essere anche disposto un

Anodo di Tungsteno

Catodo

Fascio di elettroni

Raggi X

Braccio anodico Braccio catodico

Anodo di Tungsteno

Catodo

Fascio di elettroni

Raggi X

Braccio anodico Braccio catodico

121

efficiente circuito di raffreddamento poiché il 99% dell’energia è convertita in

calore.

I vantaggi chiave del sistema di Coolidge, rispetto ai primi e rudimentali

metodi di generazione dei raggi X, consistono nella sua stabilità e nel fatto che

l’intensità e l’energia dei raggi X possono essere controllati in modo

indipendente. Infatti un aumento dell’intensità di corrente che attraversa il

filamento si riflette in un aumento di temperatura e in un corrispondente

aumento del numero di elettroni prodotti (fatto che aumenta l’intensità dei

raggi non alterandone la distribuzione spettrale). In modo analogo, l’aumento

della differenza di potenziale tra anodo e catodo incrementa la velocità degli

elettroni che colpiscono l’anodo e ciò provoca un incremento dell’energia dei

raggi X emessi.

L’energia della radiazione prodotta è espressa in “elettronvolt” (eV). Un

elettronvolt è l’energia cinetica acquistata da un elettrone quando è accelerato

da un campo elettrico prodotto da una differenza di potenziale di un volt:

. JeV 1910602,11 −⋅=

Come accennato, la velocità con la quale gli elettroni colpiscono l’anodo è

funzione dalla tensione di alimentazione del tubo, e a sua volta l’energia dei

raggi X prodotti è direttamente proporzionale al quadrato della velocità degli

elettroni stessi; inoltre più piccola è la lunghezza d’onda della radiazione

prodotta, più elevata è la sua energia e maggiore è la capacità della radiazione

stessa di penetrare la materia.

Caratteristiche dei raggi X

In generale, con il termine generico di radiazione si intende l’insieme delle

particelle subatomiche e delle onde che si propaga dalla sorgente sotto forma di

122

fascio. Considerando che l’intensità della radiazione è la quantità di energia

ceduta nell’unità di tempo ad una superficie unitaria disposta

perpendicolarmente alla direzione del fascio, è possibile costruire un

diagramma riportante in ascisse la lunghezza d’onda e in ordinata l’intensità di

una radiazione elettromagnetica, ottenendo in tal modo il cosiddetto spettro di

emissione della radiazione.

I raggi X presentano uno spettro misto costituito da due parti:

a) uno spettro continuo, determinato dalla variazione continua di energia,

dovuta alla diminuzione di velocità che gli elettroni subiscono

nell’attraversare il bersaglio metallico;

b) uno spettro a bande (discontinuo), o spettro caratteristico, determinato

dal rilascio di energia da parte degli elettroni urtati del bersaglio che

ritornano sull’orbita originaria. Ad ogni riga corrisponde un preciso

livello di energia associato al salto dell’ orbita.

E’ stato dimostrato che l’intensità dello spettro continuo aumenta con il

quadrato della tensione secondo la relazione:

2VKI ⋅=

nella quale K è una costante che, a parità d’altri fattori, dipende dal materiale da

cui è costituito l’anticatodo.

123

Lo spettro caratteristico dipende dal materiale del bersaglio ed è importante

sottolineare che la sua energia è piccola se confrontata con quella dello spettro

continuo. In figura è riportato lo spettro nel caso di anticatodo in tungsteno.

Come accennato in precedenza, lo spettro continuo dei raggi X può essere

modificato attraverso due parametri fondamentali:

1) la corrente con la quale viene prodotto il fascio elettronico per effetto

termoionico

2) la tensione di alimentazione imposta tra catodo e anodo che determina

l’accelerazione degli elettroni.

Aumentare la corrente del filamento provoca un aumento della emissione di

elettroni dal filamento stesso e quindi un aumento di intensità della radiazione

prodotta che non ha influenza sull’energia della stessa.

Aumentare la tensione del tubo significa aumentare la differenza di potenziale

esistente tra catodo e anodo, e quindi agire sul campo elettrico che spinge gli

elettroni sull’anodo. Ciò si traduce in un aumento dell’energia della radiazione

X prodotta. La figura seguente mostra la curva di intensità per quanto riguarda

lo spettro continuo dei raggi X. La curva (a) è stata ottenuta con bassa corrente

mentre la (b) è ottenuta con una corrente

più elevata mantenendo costante la tensione

di alimentazione. Il punto di intersezione di

ciascuna curva con l’asse delle lunghezze

d’onda è chiamato “limite inferiore di

lunghezza d’onda” (λmin), questo valore è

completamente determinato dalla tensione

di alimentazione del tubo. Come si può

124

notare aumentando la corrente del tubo radiogeno si ha l’effetto di aumentare

l’intensità massima dei raggi X ma non la loro energia, la quale è inversamente

proporzionale alla lunghezza d’onda.

L’intensità massima si ha infatti per lo stesso valore della lunghezza d’onda

λmax, e il limite inferiore di lunghezza d’onda è rimasto invariato.

Quindi, per aumentare l’energia dei raggi X, e quindi la loro capacità di

penetrare la materia, è necessario aumentare la tensione di alimentazione tra

catodo e anodo, cioè la tensione del tubo. In

figura è mostrato come varia l’emissione in

funzione della tensione di alimentazione.

All’aumentare della tensione di

alimentazione da 50 a 200 kV si riduce il

limite inferiore di lunghezza d’onda ed anche

il valore di λ per cui si ha la massima

intensità di radiazioni.

I raggi X di lunghezza d’onda minima sono

prodotti dagli elettroni aventi velocità

massima o massima energia. Il limite

inferiore di lunghezza d’onda può essere

calcolato con l’aiuto della seguente relazione:

V336,12

=λ

dove:

• λ è la lunghezza d’onda espressa in Angstrom,

• V è la tensione di alimentazione del tubo radiogeno espressa in Volt.

Quando la tensione di alimentazione aumenta, come si osserva dalla relazione,

la lunghezza d’onda minima diminuisce e, inoltre, l’intensità massima della

125

radiazione elettromagnetica aumenta all’aumentare della tensione di

alimentazione.

Raggi γ

I raggi γ sono radiazioni elettromagnetiche emesse dalla disintegrazione di un

isotopo radioattivo, caratterizzate da un contenuto energetico variabile da 100

keV a 1 MeV, con lunghezze d’onda corrispondenti di 0.01 e 0.001 Angstrom.

Dal punto di vista dell’impiego radiologico industriale, le sorgenti γ più

impiegate sono il Cobalto (Co-60), l’Iridio (Ir-192), il Cesio (Cs-173), l’itterbio , il

tulio e il tantalio. A seconda della sostanza impiegata, si possono testare

spessori di materiale estremamente variabili; per esempio le radiazioni

originate dal cobalto possono penetrare una lastra di acciaio di spessore oltre

200 mm. Per contro, occorre tenere presente che isotopi altamente radioattivi

richiedono l’adozione di complesse procedure di sicurezza onde evitare

contaminazione e lesioni del personale addetto al controllo e alla popolazione

circostante.

Tutte le sorgenti radioattive impiegate nella γ-grafia sono caratterizzate dal

cosiddetto “tempo di dimezzamento” (o semivita), che rappresenta il tempo che

impiega una certa quantità di un elemento radioattivo a diminuire della metà la

sua massa. Tale parametro è di particolare importanza per la definizione del

rischio di contaminazione ambientale, poiché elementi ad elevata semivita

possono permanere attivi e pericolosi nell’ambiente per molte migliaia di anni.

A titolo di esempio, il Co-60 ha una semivita di 5,3 anni, mentre il Ce-137 arriva

a 30 anni.

L’unità di misura dell’attività dell’isotopo radioattivo nel Sistema

Internazionale (SI) è il Becquerel (Bq) che corrisponde ad una disintegrazione al

secondo. Sono in uso anche altre unità di misura quali il Curie (Ci) che è pari a

126

3,7 1010 disintegrazioni al secondo, ed il Rutherford (rd) che è uguale a 106

disintegrazioni al secondo.

Da quanto detto risulta:

1 Ci=3,7 1010 Bq

1 Rd=106 Bq.

I principali vantaggi dell’impiego di sorgenti a raggi γ sono:

• ridotte dimensioni della sorgente, che è compatta e facile da trasportare

• elevata penetrazione delle radiazioni se comparata con le sorgenti a raggi

X di uso industriale,

• prezzo relativamente basso rispetto ad alcune apparecchiature a raggi X,

• non è necessaria alcuna sorgente di elettricità,

• monocromatica

• il contrasto abbastanza tenue dell’immagine permette ad un grande

dominio di spessori di materiale di essere radiografati in una sola

esposizione e sulla stessa pellicola.

Occorre rilevare, tuttavia, che quest’ultima caratteristica non risulta vantaggiosa

quando si testano pezzi con spessore relativamente costante; il basso contrasto,

infatti, non offre le condizioni ottimali per rilevare i difetti in pezzi con queste

caratteristiche.

Le sorgenti di raggi gamma hanno il principale inconveniente di essere di bassa

intensità: questo costringe ad impiegare tempi di esposizione più lunghi, inoltre

alcuni elementi radioattivi hanno un tempo di dimezzamento relativamente

breve, e ciò può comportare la loro frequente sostituzione.

In sintesi, per la scelta degli isotopi devono essere considerati tre fattori

principali:

1. il periodo di radioattività,

2. l’energia dei raggi gamma,

127

3. il materiale da radiografare.

La procedura di controllo mediante radiografia

Come accennato, una radiografia è essenzialmente una registrazione fotografica

prodotta dal passaggio di raggi X o gamma attraverso un oggetto su una

pellicola.

I raggi X si propagano secondo linee rette e, in condizioni normali, non possono

essere focalizzati. Ciò caratterizza uno dei punti essenziali della procedura

radiografica, ossia l’impiego di sorgenti puntiformi o prossime ad essere tali,

poiché la definizione

dell’immagine radiografica è

strettamente legata alla

dimensione della sorgente.

Valori di 1.5-5 mm sono comuni

nei tubi a raggi X di medie

caratteristiche, mentre è

possibile scendere fino a

dimensioni di 5-50 μm per

particolari tipologie di sorgenti

cosiddette “microfocalizzate”.

Dalla sorgente, di qualunque tipo essa sia, ha origine un fascio di radiazione

divergente che attraversa il provino, ne viene differentemente assorbito (in

funzione delle sue caratteristiche fisico-chimiche) e finisce per impressionare

una pellicola sensibile, uno schermo fluorescente, un convertitore fotonico

(scintillatore). L’immagine che si ottiene (in scala di grigi) deve essere

successivamente interpretata per valutare la presenza di discontinuità che,

128

come visibile nella figura seguente producono livelli diversi di densità

dell’immagine in funzione delle loro caratteristiche.

Proprio la relazione esistente tra la direzione

del fascio incidente e le caratteristiche

geometriche delle discontinuità

rappresentano un fattore estremamente

critico ai fini della caratterizzazione

radiografica di un componente

Per esempio, si osserva in figura come

difettosità apparentemente simili nella

tipologia (cricche di uguale dimensione ma

orientate perpendicolarmente tra loro) sono

rappresentate da immagini estremamente diverse tra loro; infatti la

discontinuità orientate parallelamente alla direzione di propagazione del fascio

appaiono nettamente più distinguibili rispetto a quelle orientate

perpendicolarmente. Di tali fattori occorre tenere conto quando si progetta un

controllo radiografico.

Il fenomeno grazie al quale i raggi X producono un’immagine variamente

contrastata è quello dell’attenuazione, che avviene a seguito di fenomeni di

scattering e di assorbimento originati dall’interazione delle radiazioni con gli

atomi della materia attraversata. Appare dunque evidente che deve essere

aggi X in modo tale che essa

sia quella ottimale in

funzione del livello di

contrasto che si intende

ottenere nell’immagine. Un

esempio di quanto sia

posta grande cura nella selezione dell’energia dei r

129

delicato questo aspetto è riportato in figura. La radiografia riporta l’esame di

una lastra d’acciaio nella quale è presente una cricca: mentre l’immagine di

sinistra è stata impressionata utilizzando una sorgente X da 150 kV, quella di

destra è stata realizzata impiegando una sorgente γ di Ir-192. Appare evidente

come in quest’ultimo caso, il contrasto ottenuto sulla lastra sia insufficiente a

visualizzare correttamente il difetto.

Più in generale, per ottenere una radiografia di buona qualità occorre valutare

alcuni importanti aspetti sintetizzabili come segue:

1. Esame visivo preliminare dell’oggetto. È importante analizzare ad occhio

2.

nudo l’oggetto da testare per decidere l’orientamento della direzione di

indagine sia sulla base della possibile collocazione dei difetti all’interno

del componente, e sia in relazione agli spessori che devono essere

attraversati dal fascio.

Energia dei raggi X. L’energia (lunghezza d’onda) dei raggi X deve essere

3.

selezionata considerando la composizione dell’oggetto, la lunghezza del

percorso che il fascio deve attraversare e le eventuali problematiche

legate alla dispersione dei raggi.

Registrazione dell’immagine. L’immagine può essere osservata su uno

schermo controllato in remoto o su pellicola in unione con opportuni

schermi luminosi. Griglie o schermi devono essere usati laddove

necessario per ridurre effetti indesiderati di scattering che possono

peggiorare la qualità finale dell’immagine. Per ciò che riguarda il tempo

di esposizione necessario a garantire un livello di contrasto ottimale,

questo deve essere determinato sulla base di test di calibrazione che sono

eseguiti radiografando provini particolari. Inoltre, la distanza tra la

sorgente, l’oggetto ed il piano pellicola deve essere tale da assicurare un

sufficiente rapporto di ingrandimento, buona nitidezza ed alto contrasto,

130

con tempi di esposizione che devono essere ridotti al minimo possibile. Il

miglioramento della definizione dell’immagine può anche essere

ottenuto impiegando film a grana fine, ma in generale questo tipo di

pellicole richiede un tempo di esposizione più lungo rispetto a quelle

standard.

4. ne delle radiografieInterpretazio . Il risultato finale di una radiografia è una

• rgia dei raggi X e degli altri fattori che

• le per ciò

• tazione dell’oggetto, che deve essere tale da permettere che le

• grafia deve essere esaminata con uno schermo ad alta

• ile casistica dei

• evolezza della possibilità che nell’immagine possano essere

presenti informazioni non rilevanti dovute, ad esempio, a fenomeni di

scattering

proiezione che non offre alcuna informazione relativamente alla

profondità dei difetti nel pezzo. Al fine di agevolare il lavoro del tecnico

che deve formulare il giudizio di accettabilità sul pezzo, occorre

considerare i seguenti fattori:

La scelta preliminare dell’ene

possono influenzare la nitidezza ed il contrasto dell’immagine

L’impiego di radiazioni aventi la massima differenza possibi

che concerne l’assorbimento in funzione delle differenti composizioni del

pezzo

L’orien

discontinuità presenti nell’immagine finale siano ben contrastate rispetto

al fondo

La radio

luminosità, in condizioni ambientali ottimali (buio)

Occorre conoscere in anticipo la possib

difetti/discontinuità eventualmente presenti nel pezzo. Radiografie di

riferimento con difettosità note possono essere di grande aiuto nei casi

dubbi.

Consap

131

La nSono

generazione dei raggi X per impiego industriale, può attualmente fare

affidamento su dispositivi

tecnologicamente avanzati e ad alte

prestazioni. In figura seguente è proposta

una rappresentazione schematica di come

appare oggi un moderno generatore di

raggi X. In esso si distinguono,

comunque, le parti essenziali (anodo,

catodo, finestre di uscita dei raggi X) già

presenti anche nei primi tubi radiogeni.

Tuttavia, pur con tutti i progressi e i

miglioramenti tecnologici conseguiti

nell’ultimo secolo, i sistemi che provvedono alla generazione dei raggi X

punto di vista energetico, se si pensa

(basse energie) e il 25% (alte energie)

radiazione utile. La parte restante si

trasforma in calore che deve essere smaltito mediante un opportuno sistema di

raffreddamento disposto nella zona del bersaglio.

I valori tipici del potenziale di eccitazione del tubo sono compresi nel range 20

kV-25 MV (anche se in campo industriale raramente si ha necessità di salire

oltre i 500 kV); i maggiori valori di energia sono richiesti, come è facile intuire,

per penetrare grandi spessori di materiale, mentre basse energie assicurano

ottimi livelli di contrasto. I bersagli dei tubi a raggi X commerciali sono quasi

sempre di tungsteno, poiché questo elemento possiede elevato punto di fusione

(caratteristica importante considerato l’enorme calore sviluppato), buona

conduttività termica (necessaria per assicurare un rapido smaltimento del

ge erazione dei raggi X passati molti anni dall’invenzione di Coolidge, e il processo di

rimangono estremamente inefficienti dal

che solo una percentuale variabile tra l’1%

dell’energia iniziale è convertita in

132

calore), ed elevato numero atomico. A questo proposito occorre sottolineare

come il numero atomico Z0 sia un parametro rilevante per l’intero sistema

perché compare sia nell’espressione dell’intensità di energia che è possibile

ottenere con un tubo di determinate caratteristiche di corrente i e voltaggio V

I = K’i Z0 V2

e sia in quella dell’efficienza χ della produzione di raggi X (rapporto tra energia

dei raggi X prodotta e energia impiegata per la produzione ed accelerazione

degli elettroni)

χ

Assorbimento e Scattering dei Raggi X nella materia

La conoscenza delle caratteristiche di assorbimento dei raggi X nei materiali è di

nere radiografie ben contrastate, poiché

è proprio in forza dell’assorbimento differenziale che si generano le immagini

diversi meccanismi che

ttering incoerente)

Effetto fotoelettrico

L’assorbimento fotoelettrico avviene qu

energia ( rasferisce tutta la sua energia ad

un elettrone e, se tale energia raggiunge un certo livello di soglia, l’elettrone è

= 1.4 10-9 Z0 V

fondamentale importanza al fine di otte

radiografiche. Nei solidi l’attenuazione è causata da

agiscono indipendentemente tra loro, alcuni causati dall’assorbimento ed alcuni

da fenomeni di scattering.

I fenomeni di cessione di parte dell’energia posseduta dalla radiazione agli

atomi della materia vengono usualmente classificati in letteratura come segue:

• effetto Fotoelettrico (assorbimento)

• effetto Compton (sca

• produzione di doppietti

ando un fotone dei raggi X di bassa

≈ 0,5 MeV) collidendo con un atomo t

133

espulso e liberato dalla forza di

un fotone con energia superiore alla soglia necessaria alla liberazione di un

lettrone, collide con un atomo; della

arte viene usata per

quando un fotone ad elevata energia

(superiore a 1,2 MeV) collidendo con un

atomo viene completamente assorbito e

attrazione del nucleo. Questo

fenomeno avviene per basse energie

del fotone (il quale viene

completamente assorbito) e per elevati

livelli di numero atomico dell’atomo.

scattering incoerente”, avviene quando

Effetto Compton

L’effetto Compton, noto anche come “

e

sua energia, p

espellere un elettrone dell’orbitale più

esterno, e parte prosegue sotto forma di

fotone avente però energia inferiore e

direzione di propagazione diversa

rispetto al fotone incidente.

Produzione di coppie La produzione di coppie si verifica

al suo posto si formano un elettrone ed

un positrone. Il positrone ha una vita

134

brevissima; esso svanisce con la formazione di due fotoni aventi energia pari a

0,5 MeV ciascuno.

Una volta spiegati i meccanismi di assorbimento e scattering, appare opportuno

re

er il

l’intensità della radiazione incidente,

he giunge al rivelatore)

0,

definire delle grandezze parametriche che definiscano le caratteristiche del

materiale nei confronti della radiazione X. A tale proposito si definiscono i

coefficienti Half Value Layer (HVL) e Tenth Value Layer (TVL) come gli spessori

che rispettivamente dimezzano e decimano l’intensità della radiazione

incidente. Ciò per un dato materiale e per una certa intensità delle radiazioni

Per uno stesso materiale i valori di HVL e TVL decrescono all’aumenta

dell’intensità dell’energia raggiante, e quindi per radiazioni più penetranti.

Supponendo di costruire il setup sperimentale rappresentato in figura p

quale

• I0 è

• I è l’intensità della radiazione trasmessa (c

• dx è lo spessore del pezzo attraversato.

si può dimostrare che un fascio omogeneo di raggi X di intensità I

nell’attraversare un spessore di materiale ∆x, subisce un’attenuazione di

intensità ∆I, che è proporzionale all’intensità del fascio incidente e allo spessore

del materiale; il fenomeno può essere descritto dalla seguente espressione

matematica:

xII Δ∗∗−=Δ μ

135

dove μ è una costante di proporzionalità di segno negativo per indicare la

e fare con quantità infinitesime, si può scrivere

diminuzione di intensità.

Supponendo di avere a ch

dxIdI ∗=− ∗μ

e, integrando si ottiene infine:

Questa relazione esprime la legge fondamentale sull’assorbimento di un fascio

eniente riferire il coefficiente di

)(0

xeII ∗−∗= μ

omogeneo di raggi X o raggi gamma. La costante di proporzionalità μ è definita

coefficiente di assorbimento lineare e si esprime in cm-1. Questo parametro esprime,

in sostanza, la frazione di energia assorbita per cm di materiale attraversato, ed

il suo valore numerico dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione

incidente e dal tipo di materiale attraversato.

Nella pratica, però, può risultare più conv

assorbimento alle caratteristiche di densità del materiale ρ come segue:

ρμμ = m

Il coefficiente di assorbimento per unità di massa dipende, infatti, sia dal

materiali allora

materiale sia dal suo stato fisico e questo spiega perché, ad esempio, l’intensità

dei raggi X non diminuisce allo stesso modo quando questi attraversano uno

spessore unitario di vapore acqueo o di acqua allo stato liquido.

Tuttavia, quando si prende in considerazione la densità dei due

l’assorbimento per unità di massa risulta essere lo stesso e dunque la frazione di

raggi X assorbita per una data quantità d’acqua è la stessa, sia che essa si trovi

sotto forma di acqua, di ghiaccio o di vapore.

136

Il coefficiente di assorbimento massico di un composto chimico o di una miscela

è dato dalla media dei coefficienti dei singoli componenti proporzionalmente

alla percentuale in peso di ciascuno di essi.

Lo scattering Lo scattering (dispersione) è il fenomeno in seguito al quale una parte raggi

emergenti dal corpo assorbente (dopo averlo attraversato) seguono delle

direzioni diverse rispetto al fascio incidente. Questa radiazione è definita anche

“radiazione diffusa”.

Poiché il rivelatore (sia esso un film od un convertitore fotonico) riceve

contemporaneamente sia la radiazione diffusa sia la radiazione del fascio

principale e non è in grado di discriminare tra le due, il coefficiente di

assorbimento che è misurato dal rivelatore risulta essere composto da due parti:

un termine legato all’assorbimento vero e proprio e un termine causato dalla

dispersione.

L’assorbimento vero e proprio è caratterizzato dalla scomparsa di un quanto di

energia e dal trasferimento di essa agli elettroni del materiale attraversato

(questo il caso descritto come effetto fotoelettrico, ma in parte ciò accade anche

nell’effetto Compton e nella produzione di doppietti). La radiazione dispersa è,

invece, caratterizzata da una variazione di direzione rispetto al fascio incidente,

e da un’energia minore; (è questo il caso dell’effetto Compton e della

produzione di doppietti).

Effetti dell’assorbimento e della dispersione

Durante l’esposizione ai raggi X o γ, la pellicola radiografica è colpita dalla

frazione di radiazioni che hanno attraversato il pezzo in esame (che non sono

state assorbite) e dalla radiazione di scattering. A seconda dello spessore del

materiale, dei difetti presenti o della presenza di eventuali inclusioni di

materiale a diverso coefficiente di assorbimento, le radiazioni subiscono un

137

differente livello di attenuazione e, quando infine vanno ad incidere sulla

pellicola, la impressionano in maniera differenziata con diverse densità di

annerimento. L’osservazione visiva della pellicola sviluppata e un accurato

esame delle regioni di essa che presentano zone a differente densità e contrasto,

consente di localizzare e caratterizzare eventuali difetti presenti nel pezzo in

esame.

Registrazione delle immagini con i Raggi X

Come accennato in precedenza, i raggi X e quelli γ possono essere rilevati

impiegando una varietà di mezzi quali pellicola fotografica, camere a

ionizzazione, scintillatori, contatori geiger, etc. In realtà, nella pratica

industriale, la pellicola radiografica è di gran lunga il sistema più impiegato.

In generale, una comune pellicola radiografica è composta da sette strati:

● due strati esterni di gelatina indurita per proteggere l’emulsione;

● due strati di emulsione sensibile (cristalli di bromuro di argento);

● due strati sottilissimi per assicurare l’aderenza dell’emulsione al supporto

trasparente;

● uno strato di supporto trasparente (in acetato di cellulosa o poliestere).

La formazione dell’immagine è legata al modo in cui la radiazione X modifica le

caratteristiche dell’emulsione fotografica analogamente a quanto accade con la

luce nelle lunghezze d’onda del visibile (rendendo in tal modo possibile la

realizzazione di fotografie)

La base di materiale trasparente (acetato di cellulosa) è uniformemente rivestita

sui due lati con un’emulsione gelatinosa di bromuro d’argento. Il bromuro

d’argento si trova sotto forma di piccoli cristalli ed è disposto uniformemente

all’interno della gelatina. Lo spessore di ciascuno strato è circa 0,025 mm.

Quando i raggi X o γ incidono sull’emulsione, ha luogo una reazione chimica

nei cristalli del bromuro d’argento con una energia che è proporzionale

138

all’intensità della radiazione incidente e al tempo di esposizione. Il risultato di

tali modificazioni chimiche è latente sulla pellicola e, affinché possa essere

osservato, è necessario trattare la stessa con una soluzione chimica chiamata

rivelatore.

Il rivelatore ha un’azione riduttrice nei confronti del bromuro d’argento, che

consiste nel prelevare il bromuro dai cristalli esposti del bromuro d’argento, e

depositare atomi di argento nero sulla gelatina. La concentrazione dell’argento

metallico nero, per unità di superficie dell’emulsione, dipende dal tempo di

esposizione e dunque, in definitiva, è il fattore che determina la densità della

pellicola.

Una caratteristica importante che deve possedere il rivelatore è la sua capacità

di non intaccare i cristalli che non sono stati esposti. In realtà nessun prodotto

chimico attualmente conosciuto lascia una regione inesposta totalmente

inalterata nel tempo e ciò provoca uno sviluppo parziale che prende il nome di

“nebbia chimica” o “velatura”.

Dal punto di vista costitutivo, i rivelatori contengono generalmente del metolo

e dell’idrochinone, sostanze capaci di riprodurre tutti i toni del grigio e il nero;

è, inoltre, necessario che la soluzione sia alcalina per rendere opaca la pellicola..

Del solfito di sodio e del bromuro di potassio aggiunti alla soluzione, agiscono

da agenti di conservazione e riducono la nebbia chimica.

Per fermare lo sviluppo, la pellicola viene immersa in un bagno di arresto

rapido, ovvero risciacquata in acqua.

Il bagno di arresto consiste in una soluzione leggera di acido acetico che

neutralizza gli alcali del rivelatore. Se non viene usato il bagno d’arresto le

pellicole devono essere immerse in acqua corrente pulita da uno a due minuti,

se le si agita sono sufficienti 20 secondi. Dopo lo sviluppo la pellicola contiene

ancora il bromuro d’argento che non è stato esposto e rivelato e questo deve

139

essere rimosso dall’emulsione se si vuole che l’immagine resti

permanentemente fissata. A tal fine si impiega un “fissatore” costituito da

iposolfito di sodio o di ammoniaca. Acido acetico o solforico (in bassa

concentrazione) sono aggiunti al fissatore per neutralizzare il rivelatore alcalino

aderente alla pellicola. Quando la pellicola viene estratta dal rivelatore, le

superfici non rivelate appaiono gonfie e ingiallite. Dopo l’immersione nel

fissatore, trascorso un certo tempo, il giallo diventa trasparente. Il tempo

necessario a che avvenga questo cambiamento è detto tempo di schiarimento. Per

fissare correttamente una pellicola, essa deve essere lasciata nel fissatore per un

tempo doppio del tempo di schiarimento.

Una volta tolte dal fissatore, le pellicole devono essere lavate per almeno 30

minuti per eliminare le eventuali tracce di prodotti chimici ancora presenti

nell’emulsione. Sebbene l’operazione di lavaggio non sia sufficiente ad

eliminare completamente le ultime tracce di fissatore, questo deve essere ridotto

a quantità tali da permettere la conservazione della radiografia integra per un

periodo di tempo prefissato.

Lo stadio finale del trattamento della pellicola è l’essiccatura. Questa

operazione viene fatta appendendo le radiografie ad un supporto e generando

un moto convettivo naturale o forzato dell’aria ambientale. Possono anche

essere utilizzati essiccatori ad aria calda che consentono una notevole

velocizzazione del processo, anche se occorre prestare particolare attenzione a

non produrre un riscaldamento eccessivo che può rendere fragili le pellicole.

Tipi di pellicole

Le pellicole, che sono classificate da appositi organismi internazionali in base al

loro comportamento, si differenziano tra loro per la velocità (rapidità di

esposizione), il contrasto e la dimensione dei grani. Questi aspetti sono in parte

140

correlati, infatti le pellicole aventi grani di grandi dimensioni hanno velocità più

elevata rispetto a quelle aventi i grani relativamente più piccoli. Per contro, le

pellicole ad elevato contrasto hanno i grani generalmente più piccoli e sono

meno rapide di quelle a minor contrasto. Una pellicola a grana fine è in grado di

restituire un’immagine contenente un maggior numero di dettagli rispetto ad

una pellicola a grana grossa.

Nonostante la differenza di qualità tra le radiazioni delle sorgenti a raggi X e le

sorgenti a raggi gamma, per entrambi i casi si impiegano gli stessi tipi di

pellicole.

Curva densitometrica

La radiografia sviluppata consiste in una superficie sulla quale sono state

deposte diverse quantità di argento metallico ed è quindi composta da zone di

maggior o minor annerimento. Definita la trasmittanza T come:

0II

T t=

dove

I0 è l’intensità della luce incidente sulla pellicola.

It è l’intensità luminosa emergente dalla pellicola,

La densità della pellicola è definita come il logaritmo decimale dell’inverso

della trasmittanza:

t

o

II

TD log1log ==

La densità della pellicola dipende sia dall’intensità della radiazione sia dal

tempo di esposizione. Il prodotto di questi due fattori è detto esposizione:

141

tIkE ∗∗=

dove

k è un fattore di proporzionalità,

I è l’intensità della radiazione,

t è il tempo di esposizione.

Ciascun tipo di pellicola è caratterizzato da una curva densitometrica (o

sensitometrica) che rappresenta graficamente il grado di annerimento ottenibile

al variare dell’esposizione cui la pellicola è soggetta. La figura riporta una tipica

curva densitometrica.

Il parametro “a” rappresenta la sensibilità della pellicola (la cosiddetta “velocità”

o “rapidità”); una pellicola è tanto più sensibile quanto minore è il valore di

“a”, cioè la pellicola inizia ad

annerirsi dopo una breve

esposizione.

La pendenza della curva

caratteristica “b” rappresenta

il contrasto o gradiente della

pellicola: maggiore è la

pendenza della curva caratteristica maggiore è il contrasto. Il dominio di

utilizzo della pellicola è il tratto a pendenza costante indicato come latitudine di

esposizione “e” e si trova nell’intervallo di densità tra 1,7 e 2 per condizioni

normali di osservazione.

Il parametro “c”, detto velatura, si concretizza in una leggera opacità presente

anche in zone non esposte. Questo fenomeno è causato in parte da una non

perfetta trasparenza del supporto e in parte dalle operazioni di sviluppo. In

142

ogni caso la velatura non deve superare il valore di 0,2-0,3 di densità, a cui

corrisponde una quasi totale trasparenza.

Il parametro “d” rappresenta la massima densità accettabile quando la pellicola

viene esposta e sviluppata ed è chiamato densità limite. Il valore della densità

limite è generalmente fissato pari a 4, mentre un valore superiore (a cui

corrisponde un annerimento intenso) non può essere accettato.

I densitometri

Il densitometro è lo strumento atto alla misura della densità della pellicola che

aiuta il tecnico a stabilire se i limiti di densità sono rispettati. Sebbene in

commercio siano disponibili densitometri

elettronici molto pratici ed affidabili, sono ancora

largamente impiegati anche quelli a comparazione

ottica.

I densitometri ottici prendono anche il nome di

“strisce densitometriche” e si compongono di varie

bande di grigio corrispondenti densità note: la

densità incognita della pellicola viene determinata

per confronto visivo diretto con le varie bande. Questo metodo consente stime

di densità sufficientemente precise anche se, ovviamente, occorre tenere

presente i limiti dell’apparato visivo umano.

La formazione dell’immagine radiografica

L’intensità dei raggi X decresce con il quadrato della distanza come accade, del

resto, per tutti gli altri tipi di onde elettromagnetiche; dunque se analizziamo il

comportamento di una sorgente puntiforme (come schematizzato in figura) si

può osservare che il fascio emesso, divergente, investe i differenti piani che lo

intersecano perpendicolarmente secondo aree di dimensione progressivamente

143

crescente nelle quali l’intensità rilevata in un singolo punto diminuisce. Ad

esempio se si suppone che sul piano C1, posto ad una distanza X dalla sorgente,

la radiazione copra 4 regioni quadrate con intensità 1, spostandosi sul piano C2,

situato a distanza doppia dal precedente, lo stesso fascio

investe copre 16 regioni quadrate più piccole ed in esse

l’intensità si è ridotta ad 1/4. Da ciò si deduce che

raddoppiando la distanza l’intensità della radiazione

sull’unità di superficie si riduce ad 1/4, triplicandola si

riduce ad 1/9 e così via. Tuttavia occorre osservare che

questa legge è valida solo se la dimensione della sorgente è

piccola confrontata con la distanza sorgente-oggetto (nella

maggior parte delle applicazioni pratiche > 50 mm)

La Penombra Geometrica

Uno dei parametri che contribuisce pesantemente ad influenzare la qualità

dell’immagine radiografica è la cosiddetta “penombra” (unsharpness), che si

definisce come l’incapacità di riprodurre fedelmente i bordi di un dato oggetto.

Lo stesso termine viene anche usato per indicare la

distanza minima che può essere risolta da un dato

sistema radiografico. La penombra dipende

essenzialmente dalle dimensioni della macchia

focale, ossia della proiezione delle dimensioni

effettive del fascio di elettroni provenienti

dall’anticatodo sul piano perpendicolare alla

direzione di propagazione.

Con riferimento alla figura, se si considera una sorgente di dimensioni finite, la

penombra è espressa dal segmento A”A’ (o B’B”); occorre tuttavia tenere

144

presente che la mancanza di simmetria della posizione dell’oggetto rispetto al

fascio può provocare differenze nella lunghezza dei due tratti.

È possibile determinare analiticamente il valore della penombra geometrica Ug

mediante la relazione:

DdFU g ∗=

nella quale:

• F è la dimensione effettiva della sorgente,

• d è la distanza oggetto-pellicola,

• D è la distanza sorgente-oggetto.

Nel caso in cui la pellicola sia posta a contatto con

l’oggetto da radiografare e l’oggetto possieda uno

spessore relativamente piccolo la penombra

geometrica è trascurabile (come mostrato in figura) e

si può esprimere mediante la relazione:

)( 0 Fg DFU Δ+Δ∗=

dove ΔF è lo spessore della pellicola e Δ0 è lo spessore

dell’oggetto da radiografare.

Quando d diventa grande si osserva il fenomeno

dell’ingrandimento radiografico; oltre all’indubbio

vantaggio di una migliore osservazione del pezzo

radiografato, l’ingrandimento porta con se anche un

notevole aumento della penombra geometrica e

dunque la risoluzione dell’immagine finale aumenta

145

solo se si usa una sorgente di radiazioni davvero molto piccola. In questo caso è

possibile definire un fattore di ingrandimento Mg espresso da:

DdDM g

+=

Contrasto e Definizione

Il contrasto può essere definito come la differenza di densità che si registra nella

pellicola, in seguito all’esistenza di una variazione di spessore o di densità del

pezzo radiografato. Questo parametro risulta essere particolarmente critico ai

fini della bontà del controllo radiografico, infatti un difetto può essere

individuato nell’immagine radiografica proprio a causa del contrasto tra la

densità della sua immagine e la densità del materiale circostante. Più questa

differenza è rilevante più facile diventa rintracciare il difetto all’interno del

pezzo.

Mentre per “contrasto” si intende la differenza di densità tra due zone contigue

della radiografia, con il termine “definizione” radiografica si esprime la rapidità

con la quale avviene tale passaggio. Ottenere un’elevata definizione vuol dire,

in sostanza, poter distinguere in modo nitido i bordi del pezzo o i contorni di

eventuali discontinuità mentre, quando la definizione è scarsa, l’immagine

appare velata e poco leggibile.

La Sensibilità Radiografica

La sensibilità radiografica esprime convenzionalmente la minima differenza di

spessore del materiale in esame che è possibile rilevare sull’immagine finale,

valutata nella direzione del fascio primario. In sostanza, questo parametro ha

un diretto riscontro nella nitidezza con la quale la radiografia è capace di

evidenziare le discontinuità nel pezzo radiografato.

146

La valutazione pratica della sensibilità radiografica viene

effettuata mediante l’impiego dei cosiddetti

“penetrametri” o “Indicatori della Qualità

dell’Immagine” (IQI), che commercialmente sono

realizzati secondo tipologie differenti con materiali che

possono essere omogenei rispetto al pezzo da testare o

radiologicamente simili.

La tipologia più diffusa è quella degli IQI a fili, che sono costituiti da una serie

di sette fili (Fe-Al-Cu-Ti etc.) di diametro diverso, in funzione delle

caratteristiche del test da eseguire, pressati su un supporto di plastica (vedi

figura, diametri da 0.25 a 0.81 mm)

La sensibilità radiografica (percentuale) è calcolata

come rapporto tra il diametro del filo più sottile

visibile sulla radiografia e lo spessore del pezzo

radiografato. Questo tipo di penetrametro viene

posto generalmente a cavallo della zona di

interesse che deve essere radiografata. Un altro tipo di

penetrametro molto utilizzato è quello “a fori” che è

sostanzialmente realizzato da una piastrina di spessore

“T” (che rappresenta una certa percentuale dello

spessore del pezzo da radiografare) sulla quale si

eseguono tre fori di diametro T, 2T, 4T. In questo caso

la sensibilità si valuta sulla base del diametro del foro

che risulta più visibile sull’immagine radiografica.

Quando viene fatta una radiografia i penetrametri a

piastra forata sono generalmente posti sulla superficie

rivolta alla sorgente di radiazioni in prossimità della

147

regione che deve essere radiografata. Se ciò dovesse risultare difficoltoso (o

addirittura impossibile) i penetrametri possono essere posti sulla pellicola.

Se il profilo del penetrametro è visibile sulla radiografia e lo spessore del

penetrametro è, per esempio, il 2% dello spessore del provino, la sensibilità

radiografica è almeno del 2%. L’immagine dei fori o dei fili fornisce

un’indicazione sulla chiarezza con la quale un difetto sarà visibile sulla

radiografia e, in sostanza, il penetrametro può essere pensato come un difetto

artificiale di cui siano note a priori tutte le caratteristiche quantitative e

qualitative. La differenza nella densità della pellicola sviluppata data da un

piccolo cambiamento dello spessore in un provino omogeneo è dato da:

TbD Δ∗∗∗=Δ μ434.0

Dove

• ΔD = variazione di densità,

• b = gradiente della pellicola alla densità D,

• μ = coefficiente di assorbimento lineare della radiazione

• ΔT = variazione di spessore

Mentre la sensibilità radiografica è data dalla relazione:

TbD

TT

∗∗Δ∗

=Δ

μ3.2

Se ΔD è considerato come la più piccola variazione percettibile di densità (i

valori dati per ΔD si trovano per l’intervallo compreso tra 0.005 e 0.02) e si

assume il valore medio di 0.01, allora la sensibilità radiografica è espressa dalla

relazione

TbTT

∗∗=

Δμ023.0

148

che è, però, valida solo per una radiazione monocromatica.

Filtri e Schermi

Talvolta, tra la sorgente di radiazioni e l’oggetto da radiografare è interposto un

foglio metallico chiamato filtro, che assorbe la radiazione di lunghezza d’onda

maggiore principalmente responsabile della dispersione. Con questo

accorgimento il contrasto migliora e ciò permette di radiografare sulla stessa

pellicola forti variazioni di spessore. Per questo motivo quando devono essere

radiografati oggetti con forti variazioni di spessore è raccomandato l’utilizzo di

un filtro per ridurre la dispersione e la sovraesposizione. La presenza del filtro

fa aumentare il tempo di esposizione per compensare lo spessore del materiale

aggiunto che deve essere attraversato dai raggi X.

Il 99% dei raggi X che colpisce la pellicola fotografica non produce l’effetto

fotochimico nell’emulsione, ma l’attraversa inalterato. Per diminuire il tempo di

esposizione e migliorare la qualità della radiografia, si utilizzano degli schermi

intensificanti, anche detti schermi di rinforzo. Esistono diversi tipi di schermi:

1. schermi di piombo,

2. schermi di ossido di piombo,

3. schermi di rame,

4. schermi d’oro,

5. schermi di tantalio,

6. schermi fluorescenti.

L’azione intensificante degli schermi di piombo è dovuto in primo luogo

all’emissione di elettroni a partire dalla superficie di piombo quando essa è

colpita dai raggi X, ed in secondo luogo all’azione dei raggi X secondari

prodotti all’interno del piombo. Gli elettroni, a loro volta, provocano una

reazione fotochimica sulla pellicola, reazione di maggiore intensità rispetto a

149

quella prodotta dalla radiazione primaria. Gli schermi devono essere posti a

contatto diretto con la pellicola; in caso contrario gli elettroni emessi dallo

schermo generano sulla pellicola un’immagine sfocata. Inoltre gli schermi al

piombo assorbono la radiazione dispersa a bassa energia proveniente

dall’oggetto radiografato: si ottiene quindi nel complesso un’immagine più

nitida.

L’azione intensificante aumenta all’aumentare dell’energia della radiazione

primaria. Lo schermo anteriore riduce l’effetto fotochimico della radiazione,

mentre i fotoelettroni prodotti dallo schermo aumentano tale effetto. Il fattore di

intensificazione è definito come quel fattore di cui si riduce il tempo di

esposizione quando è usato uno schermo. Nelle seguenti figure sono riportati

degli esempi: Generalmente gli schermi al piombo sono usati in coppia e la

pellicola è posta tra i due schermi. Lo schermo posto più vicino alla sorgente di

radiazioni è abitualmente chiamato schermo anteriore, e l’altro è detto schermo

posteriore. Lo schermo anteriore ha un’azione intensificante maggiore rispetto

allo schermo posteriore in quanto gli elettroni emessi dal piombo tendono ad

andare nella direzione della radiazione primaria. D’altra parte poiché i raggi X

devono attraversare lo schermo anteriore prima di arrivare alla pellicola, questo

schermo agisce anche da filtro ed i raggi troppo tenui vengono assorbiti. Per

basse tensioni del tubo radiogeno (qualche kV) l’azione filtrante dello schermo

anteriore fa aumentare il tempo di esposizione. Lo schermo posteriore tende a

150

ridurre l’effetto della radiazione retrodiffusa, perché assorbe la radiazione

secondaria a bassa energia, questo è generalmente più spesso dello schermo

anteriore. Lo schermo anteriore tende invece a ridurre tutta la radiazione

dispersa proveniente dagli oggetti che la radiazione primaria attraversa prima

di giungere alla pellicola.

Il fattore di intensificazione è rappresentato in funzione dello spessore dello schermo, per 25 mm di acciaio e 25 kV. (A) schermo doppio, (B) schermo posteriore, (C) schermo anteriore.

Lo schermo posteriore contribuisce in gran parte alla formazione della densità

radiografica per spessori di piombo normalmente usati. Gli schermi al piombo

non sono particolarmente efficaci per tensioni del tubo radiogeno inferiori a 140

kV; tuttavia lo schermo posteriore contribuisce a formare una densità

apprezzabile sulla pellicola e deve essere comunque utilizzato anche con 80 kV.

Il fattore di intensificazione degli schermi al piombo è influenzato dallo

spessore e dal tipo di materiale radiografato. Per spessori sottili di acciaio, per

esempio, il fattore di intensificazione dello schermo doppio è migliore del

fattore di intensificazione di ciascuno schermo preso separatamente. L’azione

intensificante degli schermi al piombo ha il suo massimo per spessori di acciaio

che vanno dai 12 ai 18 mm e per tensioni del tubo radiogeno da 140 a 250 kV.

151

Gli altri schermi metallici hanno un’azione intensificante simile a quella degli

schermi al piombo, cambiano solo gli spessori da utilizzare a seconda delle

esigenze.

Gli schermi fluorescenti sono generalmente in tungstato di calcio (CaWO4), ed

hanno un doppio vantaggio: riducono il tempo di esposizione e facilitano la

radiografia di spessori rilevanti con apparecchi a raggi X di media potenza.

Come nel caso degli schermi di piombo, la pellicola si trova spesso tra due

schermi, quello anteriore e quello posteriore. Quando il tungstato di calcio è

attraversato dai raggi X produce l’effetto fluorescenza, con una luce di colore

bianco bluastro. La luce emessa ha un’intensità che dipende dall’intensità della

radiazione incidente, ed una lunghezza d’onda cui l’emulsione della pellicola è

sensibile. Lo schermo è realizzato mescolando una polvere fine di tungstato di

calcio con un opportuno legante e depositandone uno strato sottile su un

supporto di cartone. Il fattore di intensificazione ottenuto utilizzando il

tungstato di calcio varia tra 10 e 100. La figura mostra l’effetto della tensione sul

fattore di intensificazione degli schermi fluorescenti.

Più la grana della polvere utilizzata è grossa, più la fluorescenza è intensa e più

la pellicola è veloce. I cristalli di tungstato di calcio più grossi danno però alla

pellicola un aspetto granuloso. Il fattore di intensificazione degli schermi al

152

tungstato di calcio è determinato dalla dimensione dei cristalli; più i cristalli

sono grossi, più la quantità di luce è grande e l’azione intensificante è

importante. La dimensione dei cristalli influenza la nitidezza dell’immagine.

Una radiografia realizzata utilizzando uno schermo fluorescente ha una

nitidezza peggiore rispetto ad una radiografia realizzata con schermi di

piombo. Questa scarsa nitidezza è dovuta alla dispersione della luce visibile

emessa dallo schermo. È necessario che tra lo schermo e la pellicola ci sia intimo

contato per non permettere alla luce di disperdersi e di produrre un’immagine

confusa. Per questo motivo gli schermi al tungstato di calcio sono utilizzati

raramente, fata eccezione per quei casi in cui è necessario ridurre notevolmente

il tempo di esposizione. È questo il caso di spessori di acciaio superiori a 40

mm, con 200 kV, o 80 mm, con 400 kV.

Si possono ottenere dei vantaggi combinando l’uso dei due tipi di schermi, si

usa come schermo anteriore quello al piombo e come posteriore quello al

tungstato di calcio. Questa tecnica riduce il tempo di esposizione senza

influenzare eccessivamente la nitidezza dell’immagine.

153

Appendice: Difettologia delle Saldature

DIFETTOLOGIA DELLE SALDATURE

La saldatura

Per saldatura si intende l’insieme dei processi attraverso i quali, sotto l’azione

di una sorgente termica e con o senza apporto di materiale, è possibile

effettuare l’unione di pezzi metallici in modo da realizzare una struttura

continua.

Usualmente le saldature si dividono in due grandi classi:

1. saldature autogene, nelle quali il metallo base prende parte, fondendo,

alla formazione del giunto. In questo caso il metallo d’apporto può essere

presente o meno a seconda del procedimento utilizzato ed è

metallurgicamente simile al metallo base.

2. saldature eterogenee, nelle quali il metallo base non prende parte alla

formazione del giunto, che viene invece costituito dal metallo d’apporto,

sempre presente, diverso dal metallo base e con temperatura di fusione

minore.

I procedimenti di saldatura più comuni sono quelli autogeni per fusione, e in

particolare i processi di saldatura ad arco. La saldatura ad arco è un

procedimento che sfrutta il calore di un arco elettrico (scarica di elettricità,

luminosa e persistente) fatto scoccare tra un elettrodo (metallo d’apporto) ed il

pezzo da saldare. L’ elevata temperatura dell’arco provoca la fusione del

metallo base e del metallo d’ apporto realizzando la continuità dei due lembi.

La parte del metallo base costituente il pezzo da saldare che viene interessata

dalla fusione prende il nome di zona termicamente alterata o zona di

transizione.

155

Difetti nelle saldature

Secondo UNI EN ISO 6520-1 si definisce imperfezione qualsiasi deviazione dalla

saldatura ideale e difetto un’imperfezione non accettabile. In particolare la

norma citata classifica le imperfezioni in 6 gruppi:

1) cricche

2) cavità

3) inclusioni solide

4) mancanza di fusione e di penetrazione

5) difetti di forma e dimensionali

6) altre imperfezioni

Di seguito saranno illustrati sinteticamente i tipi di difetti più comunemente

riscontrati nelle saldature e le cause che li originano.

Le cricche

Definizioni

La cricca può essere definita come una discontinuità originatasi per distacco inter o

transcristallino in un materiale metallico originariamente continuo e sano. È un difetto

che viene indicato come bidimensionale poiché solitamente si presenta più o

meno lungo e profondo con andamento frastagliato mentre i suoi lembi sono

piuttosto ravvicinati. Se le cricche hanno dimensioni molto ridotte (inferiori ad

1 mm), vengono definite microcricche.

Le cricche sono il difetto più grave e temibile di un giunto saldato. Infatti una

cricca, anche se di piccole dimensioni, rappresenta il segnale di una rottura in

atto con alto fattore di concentrazione delle tensioni (effetto di intaglio) alle sue

estremità. Una cricca può aumentare le sue dimensioni nel tempo a seconda

delle sollecitazioni di esercizio cui è sottoposta e delle dimensioni iniziali,

portando (al limite) al cedimento del giunto. Un’ulteriore classificazione delle

156

cricche può essere fatta a seconda che il distacco avvenga lungo i bordi dei

grani (intergranulari) o attraverso i

grani stessi (transgranulari),

mentre, seconda della loro

posizione rispetto al giunto saldato,

si distinguono cricche in zona fusa

o cricche in zona termicamente

alterata.

Cricche in zona fusa: classificazione

Si trovano nella zona fusa del giunto e possono essere orientate

longitudinalmente, trasversalmente oppure essere interdentritiche (queste

ultime sono quelle che seguono l’andamento dei grani dendritici della zona

fusa).

A seconda della loro origine si distinguono in:

• Cricche a caldo

• Cricche a freddo o da idrogeno

Le cricche a caldo hanno generalmente orientamento longitudinale e si formano

durante il raffreddamento del bagno di fusione quando la temperatura è poco al

di sotto della linea del solidus e, nel caso degli acciai, ancora al di sopra dei

900°C a seguito della presenza, tra i grani già solidificati, di fasi liquide che

solidificano per ultime. Negli acciai le cause principali sono: un elevato tenore

di impurezze (zolfo e fosforo) e/o di

carbonio contenute nel materiale base,

le tensioni di ritiro di saldatura e altre

cause occasionali come, per esempio,

la sporcizia presente sui lembi da

saldare. In altri metalli, per esempio

157

nelle leghe di alluminio, causa delle cricche a caldo possono essere anche

elementi di lega (Cu, Zn, Mg) in determinate percentuali che allargano

l’intervallo di solidificazione della lega.

In presenza di queste condizioni è quindi evidente che, a parità di materiale

base, il pericolo che insorgano cricche a caldo è direttamente proporzionale alla

quantità di esso portata a fusione. Sono pertanto da evitare quei procedimenti e

quei valori di parametri (per esempio un’intensità troppo elevata di corrente,

una troppo bassa velocità di saldatura) che danno luogo ad un elevato apporto

termico e quelli che danno luogo a bagni di fusione troppo voluminosi.

Uno tra i più frequenti casi di cricche a caldo è rappresentato dalle cosiddette

“cricche di cratere”, che sono situate nel cratere terminale di una passata di

saldatura e sono dovute alla concentrazione progressiva delle impurezze nella

parte del bagno che solidifica per ultima e alle condizioni di autovincolo molto

severe. Nelle radiografie esse appaiono sotto forma di macchie scure con

annerimento variabile e dalla forma irregolare.

Le cricche a freddo si formano negli acciai durante il raffreddamento del

cordone quando la temperatura scende al di sotto di 100÷150°C.

Le cause principali della loro

formazione sono: un alto tenore di

idrogeno in zona fusa, una durezza

relativamente elevata della zona fusa

stessa e la considerevole entità delle

tensioni di ritiro longitudinali che,

tra l’altro, ne generano il caratteristico prevalentemente trasversale. Per limitare

(o eliminare) la loro comparsa è utile limitare la quantità di idrogeno assorbita

dal bagno e applicare e mantenere un adeguato preriscaldo (che ha lo scopo di

158

diminuire la durezza della zona fusa e di consentire la diffusione dell’idrogeno

all’interno).

Poiché, come accennato, le tensioni di ritiro longitudinali sono in genere le più

elevate nella zona fusa, queste cricche sono più frequentemente trasversali; solo

più raramente si hanno in zona fusa cricche a freddo longitudinali.

Nella saldatura degli acciai dolci o ad alto limite elastico anche in assenza di

tempra, ma in presenza di idrogeno e azoto, tali cricche si presentano di

dimensioni molto piccole (talvolta vengono anche definite microcricche da

idrogeno) e spesso si raggruppano in un certo numero nella stessa sezione

(trasversale o longitudinale) del giunto.

Nella saldatura degli acciai con elevate caratteristiche meccaniche (come i

bonificati), per i quali si utilizzano materiali di apporto più tempranti, le cricche

a freddo in zona fusa sono più grandi e possono tagliare completamente il

cordone di saldatura in direzione trasversale ripetendosi quasi

sistematicamente a certe distanze, quando la lunghezza del cordone accumula

sufficiente energia di ritiro longitudinale. Nella saldatura a più passate non è

infrequente riscontrare la presenza di cricche a freddo nelle passate sottostanti,

anche se in realtà, però, esse sono da riferirsi alle zona termicamente alterate

dalle passate successive.

Cricche in zona termicamente alterata: classificazione

Sono cricche che si trovano nella zona termicamente alterata di un giunto

saldato, che è costituita dal materiale di base o, talvolta, dalle passate depositate

precedentemente, o che comunque si sono originate da essa.

Hanno generalmente direzione longitudinale e possono essere interne (cricche

sotto il cordone) o affioranti a lato del cordone. A seconda della loro origine

quelle più comuni si possono classificare in:

• Cricche a freddo;

159

• Strappi lamellari;

• Cricche a caldo;

• Cricche da trattamento termico.

Le cricche a freddo si formano negli acciai quando durante il raffreddamento di

un giunto saldato la temperatura scende al di sotto di circa 100÷150°C. Il

fenomeno è sopratutto legato alla presenza di idrogeno nel bagno (proveniente

dai materiali d’apporto o dai lembi; per esempio umidità contenuta nel

rivestimento degli elettrodi o lembi

umidi, rugginosi e sporchi),

unitamente ad una concomitante

fragilità della zona termicamente

alterata (per la formazione di

strutture di tempra) e a tensioni

interne di autovincolo (sempre

esistenti). A seconda del tipo di materiale di apporto, se questo è meno

temprante del materiale base le cricche si troveranno solo nella zona

termicamente alterata del materiale base; se, invece, il materiale base è meno

temprante del materiale d’apporto esse si formeranno nella zona fusa globale

del cordone, cioè nella zona termicamente alterata costituita dalle passate

precedenti.

Le cricche a freddo possono avere sia dimensioni ridottissime sia molto

rilevanti, con lunghezze che possono arrivare a centinaia di millimetri;

l’andamento microscopico è generalmente trasgranulare.

Per quanto riguarda l’origine e prevenzione valgono all’incirca le stesse

considerazioni svolte a proposito delle cricche a freddo in zona fusa.

160

Gli Strappi lamellari possono essere assimilati a cricche che si formano solo nella

zona termicamente alterata del materiale base e sono tipici dei giunti molto

vincolati (giunti a T) la cui forma è

tale che la lamiera è sollecitata a

trazione normalmente rispetto alla

sua superficie (cioè nel senso dello

spessore della lamiera o traverso

corto).

Questi difetti sono dovuti al fatto

che i materiali laminati sollecitati in

questo modo possono presentare bassa resistenza e duttilità, motivo per cui

possono rompersi proprio sotto la zona termicamente alterata.

Il fenomeno degli strappi lamellari è influenzato dalle seguenti condizioni:

• Dimensioni del cordone (quanto più grosso è il cordone tanto più forti sono

le tensioni di ritiro che agiscono nel senso dello spessore della lamiera).

• Tipo di penetrazione (sono più pericolosi da questo punto di vista i giunti a

piena penetrazione che quelli con cordone ad angolo perché nei primi le

tensioni di ritiro sono proprio perpendicolari alla lamiera)

• Spessore e qualità del laminato Gli strappi sono dovuti a una debolezza

“intrinseca” del laminato causata soprattutto dalla presenza di

inclusioni, specialmente silicati e solfuri; in particolare queste ultime

essendo “plastiche” alla temperatura di laminazione a caldo vengono

“allungate” da quest’ultima riducendo quindi la coesione in senso

trasversale allo spessore. Poiché tale fenomeno è tanto più marcato

quanto maggiore è lo spessore, il rimedio più efficace è una particolare

elaborazione dell’acciaio (che riduca drasticamente il contenuto

inclusionale) e l’aggiunta eventuale di elementi, quali per esempio il

161

calcio, oppure del cerio o altre terre rare, che legandosi allo zolfo

rendono le inclusioni di solfuri più dure e non “allungabili” durante la

laminazione.

• Tipo di procedimento e parametri di saldatura. Quando si teme che si

verifichino strappi lamellari, è utile procedere a imburratura1 preventiva

della superficie del pezzo da saldare sollecitato trasversalmente o almeno

usare, nella saldatura a passate multiple, una sequenza di passate

particolare atta a depositare uno strato di cordoni sull’elemento

sollecitato trasversalmente. È raccomandato inoltre, quando possibile,

l’uso di materiali d’apporto a bassa resistenza e alta duttilità e di saldare

contemporaneamente dalle due parti del T per distribuire i ritiri.

Le cricche a caldo (o a liquazione) sono dovute al passaggio allo stato liquido di

composti a basso punto di fusione che si trovano al contorno del grano

cristallino nella zona termicamente alterata del giunto, immediatamente vicino

alla zona fusa, e all’azione delle tensioni di ritiro trasversali, che tendono a

staccare i grani; esse hanno, pertanto, carattere intergranulare e sono

generalmente molto piccole.

L’unica procedura possibile per limitarne la comparsa è quella di saldare con

basso apporto termico in modo da limitare l’ampiezza della zona termicamente

alterata e fare attraversare il campo di temperature critico assai rapidamente. Le

cricche a caldo sono abbastanza rare e tipiche di taluni materiali come i getti a

più alto tenore di carbonio, certi acciai inossidabili stabilizzati e alcuni acciai

bonificati o al nichel.

Cricche da trattamento termico: sono cricche che si producono durante il

trattamento termico di rinvenimento-distensione di una costruzione saldata a

seguito delle tensioni termiche, dovute ai gradienti di temperatura che si 1 L'imburratura è una forma particolare di riporto per saldatura con cui si deposita dapprima uno strato cuscinetto avente caratteristiche chimico-fisiche intermedie tra quelle del materiale base e del deposito finale.

162

possono avere in fase di riscaldamento, e delle deformazioni plastiche “di

distensione locale” che avvengono in zone in cui la struttura metallurgica è

ancora fragile e non rinvenuta.

Mentre generalmente gli acciai dolci, quelli al CrMn o quelli al Nb, soffrono

poco di tale inconveniente, certi acciai contenenti Cr e/o Mo e/o V ne sono

particolarmente suscettibili.

Le cricche da trattamento termico si formano più facilmente in zone nelle quali

vi sono concentrazioni di tensioni come per esempio: in corrispondenza di

difetti di saldatura; in corrispondenza di incroci di cordoni; in corrispondenza

di discontinuità strutturali; in corrispondenza di disomogeneità metallurgiche (

per esempio zona termicamente alterata in acciai ferritici sotto a riporti di acciai

austenitici).

Le cricche da trattamento termico corrono generalmente lungo i bordi dei grani

dell’austenite originaria nella quale, in origine, si era avuta precipitazione di

carburi (Cr, Mo o V) e arricchimento di impurezze.

Quando si teme tale fenomeno, particolare cura va posta nella scelta dell’acciaio

e nei requisiti di purezza dello stesso e particolari precauzioni vanno adottate

nell’effettuazione del trattamento termico.

Mancanza di penetrazione o di fusione

In questo caso si tratta di discontinuità esistenti tra i due lembi del cianfrino

(mancanza di penetrazione) o tra un lembo e la zona fusa (mancanza di fusione)

provocate dalla mancata fusione di entrambi o di uno solo dei lembi.

Nella radiografia questo difetto si presenta come una linea nera continua o

discontinua che si trova sul fondo e corre parallelamente alla saldatura.

163

Questo tipo di difettosità (grave e quasi sempre incettabile) può essere

riscontrato nella zona della prima passata, al vertice o al cuore della saldatura, a

seconda del tipo di preparazione: a V,

a X ecc. o in corrispondenza di

passate successive. La causa

principale della loro comparsa è da

ricercarsi nella non corretta

preparazione dei lembi (angolo di

apertura del cianfrino troppo piccolo, spalla eccessiva, distanza tra i lembi

insufficiente, slivellamento), talvolta nella mancanza di opportuna puntatura o

di cavallotti distanziatori che evitino che i lembi si chiudano, a mano a mano

che la saldatura procede, per effetto del ritiro trasversale, o nella scarsa abilità

del saldatore.

Nel caso di giunti che possono essere ripresi dal lato opposto (come accade per

esempio nel caso delle lamiere) il difetto può essere eliminato con un’accurata

solcatura al rovescio effettuata prima dell’esecuzione della passata di ripresa. È

da notare, peraltro, che se la presenza

di questo difetto si osserva al cuore

della saldatura, significa non solo che

la preparazione dei lembi non è stata

corretta ma anche che la solcatura e la ripresa non sono state eseguite con

sufficiente cura.

Dal punto di vista della localizzazione, i fenomeni di ritiro trasversale, che

esercitano un azione compressiva, possono portare a stretto contatto i lembi non

fusi di una mancata penetrazione al cuore (specialmente se i lembi sono stati

preparati mediante lavorazione meccanica); tale contatto intimo può creare

grosse difficoltà qualora si intenda rivelare successivamente il difetto con

164

tecniche NDT quali radiografia, magnetoscopia e ultrasuoni. Si tratta, pertanto,

di un difetto molto subdolo la cui comparsa deve essere evitata soprattutto con

controlli preventivi (in fase di preparazione) o durante l’esecuzione della

solcatura.

Oltre alla mancata penetrazione si può presentare il difetto di penetrazione

eccessiva; tale problema si manifesta nel controllo radiografico sotto forma di

una linea chiara, piuttosto spessa, che corre lungo la saldatura, spesso

accompagnata da eventuali macchie ancora più chiare di forma arrotondata.

Le incollature si presentano di caratteristiche simili alle mancanze di fusione,

ma tra il lembo e la zona fusa si trova interposto uno strato di ossido, per cui in

quella zona la saldatura diventa una brasatura all’ossido del materiale che si

salda. Questo difetto è tipico

dell’acciaio, qualora si proceda a

saldatura ossiacetilenica (cioè ad

apporto termico poco concentrato) e

MAG ad immersione (quindi con

basso apporto), ma si presenta anche

nei materiali facilmente ossidabili come, ad esempio, le leghe di alluminio. Un

giunto nel quale siano presenti incollature possiede caratteristiche meccaniche

scadenti. Anche questo difetto è molto subdolo e, particolarmente negli acciai,

poco rilevabile ai controlli non distruttivi, per cui deve essere evitato

soprattutto con i controlli preventivi.

Le inclusioni (solide o gassose) sono difetti situati in zona fusa, dovuti alla

presenza di sostanze diverse dal metallo del cordone di saldatura, che rsultano

inglobate nel cordone stesso.

165

Le inclusioni solide si classificano, a

seconda del materiale che le

costituisce, in inclusioni di scorie e

inclusioni di tungsteno.

Le prime sono cavità in zona fusa

contenenti solo scoria o scoria e gas.

Le inclusioni di scoria sono definite allungate quando la loro lunghezza è più di

tre volte la larghezza e in radiografia si presentano come macchie nere,

irregolari, di forme diverse. Si tratta di uno dei difetti più comuni nei cordoni

realizzati con elettrodi rivestiti e ad arco sommerso, quando l’esecuzione del

giunto sia stata effettuata con passate multiple ed è causato principalmente

dall’asportazione poco accurata di scorie ad alto punto di fusione di una

passata prima dell’esecuzione della passata successiva; tuttavia le inclusioni

possono essere anche dovute ad un uso scorretto dell’elettrodo rivestito, ad un

non preciso posizionamento della testa saldatrice oppure ad una non corretta

scelta dei parametri della preparazione (es. angolo di apertura del cianfrino

troppo stretto).

Le inclusioni di tungsteno, che appaiono, in radiografia come macchie bianche di

forma e dimensioni irregolari sono originate dalla presenza di minute schegge

di tungsteno sia isolate che raggruppate (spruzzi). È un tipico difetto del

procedimento TIG imputabile alle seguenti cause:

• maneggio scorretto della torcia

• insufficiente protezione gassosa dell’elettrodo

• scarsa qualità dell’elettrodo

• intensità di corrente troppo elevata

166

Gli spruzzi sono di forma generalmente molto irregolare e frastagliata e ai loro

vertici si possono piccole cricche, fatto che ne aumenta decisamente la

pericolosità in termini di possibili cedimenti della saldatura

Le inclusioni gassose sono cavità provocate da gas intrappolati nel bagno che si è

solidificato troppo rapidamente; esse si presentano tipicamente di forma

tondeggiante e assumono la denominazione di pori o soffiature a seconda che la

loro dimensione sia inferiore o superiore ad 1 mm. In radiografia, questa

tipologia di difetti appare in veste di

macchie nere arrotondate localizzate

all’interno del cordone.

Le inclusioni gassose possono essere

provocate dalla presenza, sui lembi

da unire, di ruggine, vernice o

sporcizia in genere. Altre cause sono

un eccessivo tasso di umidità nel rivestimento degli elettrodi o nei flussi (arco

sommerso) oppure nei gas impiegati (saldatura ossiacetilenica e saldatura

elettrica sotto protezione di gas). Anche l’uso di procedimenti ad elevata

velocità di deposito o di saldatura (per esempio saldatura laser o a fascio

elettronico) e un non corretto maneggio della torcia o della pinza (protezione

gassosa difettosa o scarsa, nel caso dei procedimenti sotto gas sono causa di

inclusioni gassose.

Contrariamente a quanto ritenuto dalla maggior parte degli operatori di

saldatura, questi difetti non sono molto pericolosi per la resistenza del giunto;

in particolare una porosità diffusa nella saldatura MIG di leghe leggere è

praticamente inevitabile e accettabile, mentre tali difetti diventano inaccettabili

solo quando sono di grandi dimensioni o numerosi (nidi di porosità o di

167

soffiature) o quando, come nel caso della porosità diffusa, sono di entità tale da

mascherare l’eventuale presenza di altri difetti più gravi.

Le inclusioni gassose di forma allungata (lunghezza superiore a più di tre volte

il loro diametro) vengono dette tarli, e quelle con una coda particolarmente

lunga, che può terminare con piccole cricche o incollature, sono da considerarsi

più pericolose per la sicurezza del giunto. I tarli possono, inoltre, presentarsi

raggruppati (nidi di tarli) nelle zone in cui, per errore di maneggio, l’arco con

elettrodi basici o cellulosici, è stato troppo allungato. Nella radiografia i tarli

appaiono come delle macchie più scure allungate.

Un caso particolare è quello delle inclusioni allungate dette bastoni da golf nei

procedimenti ad elettroscoria o elettrogas dovute a presenza di sfogliature

affioranti o meno nei lembi da saldare.

Difetti esterni o di profilo

Eccesso di sovrametallo

È un difetto che si riscontra nei giunti di testa dovuto, in genere, a scorretta

procedura da parte dell’operatore che non ha saputo distribuire

opportunamente il numero delle passate (caso della saldatura manuale) oppure

qualora non si siano seguite

scrupolosamente le specifiche di

saldatura. Talvolta questo difetto

può essere dovuto a non corretta scelta della preparazione del giunto, in

particolare nella saldatura ad arco sommerso: ad esempio, nella saldatura a

lembi retti su un certo spessore, se per ottenere una sufficiente penetrazione si

innalza la corrente, cresce parallelamente il consumo del filo e ciò origina una

maggiore quantità di metallo d’apporto con conseguente sovrametallo. In tali

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casi occorre cambiare la preparazione del giunto affinché questo sia adatto a

poter accogliere il maggiore apporto.

È luogo comune ritenere, erroneamente, che l’eccesso di sovrametallo non sia

un difetto ma che, anzi, a causa del maggiore spessore della saldatura il giunto

offra una resistenza più elevata. Ciò è assolutamente falso: infatti ai margini del

sovrametallo si crea sempre, per effetto della forma, una concentrazione di

tensioni (effetto di intaglio) che sotto certe condizioni di servizio come fatica,

urti o bassa temperatura, può ridurre la capacità di resistenza dal giunto.

Cordone d’angolo troppo convesso

Questo difetto è caratteristico dei

giunti d’angolo ed è dovuto ad un

uso improprio dell’elettrodo da parte

del saldatore o a parametri non

corretti (per esempio tensione

insufficiente) nella saldatura automatica.

Incisioni marginali

Le incisioni marginali sono, sostanzialmente, una sorta di solcatura a margine

del cordone che si presenta,

nell’immagine radiografica, sotto

forma di piccole linee nere, talvolta

sui due lati, continue o a tratti.

Questo tipo di difetto si presenta spesso nei cordoni eseguiti manualmente sia

in giunti di testa sia in cordoni d’angolo, più frequentemente in posizione

diversa da quella piana.

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Le incisioni marginali sono essenzialmente causate dall’impiego di corrente

eccessiva, associata ad un impiego non corretto della torcia.

Irregolarità superficiale

È un difetto che conferisce un cattivo aspetto estetico al cordone le cui maglie,

anziché essere disposte parallelamente una di seguito all’altra, seguono un

andamento irregolare, con variazione di profilo del cordone, avvallamenti

denuncianti i punti di ripresa ecc. La causa di tale difetto è da imputarsi ad una

scarsa abilità da parte del saldatore.

Nella saldatura automatica si può

riscontrare uno scadente aspetto

superficiale a seguito dell’adozione

di parametri di saldatura non

appropriati quali, ad esempio, velocità eccessiva (maglia a spina di pesce

troppo accentuata) o velocità troppo bassa (eccesso di sovrametallo accoppiato

a traboccamenti laterali che costituiscono incollature tra sovrametallo e metallo

base.

Slivellamento dei lembi

È un difetto dovuto ad un imperfetto

assemblaggio del giunto che ostacola

la possibilità di eseguire una

saldatura regolare. Nel migliore dei

casi si riscontra una brusca variazione del profilo, ma in certe situazioni lo

slivellamento è tale da provocare una mancanza di fusione del lembo

sottoposto.

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Spruzzi

Sono depositi più o meno grandi e dispersi, frequentemente incollati sulla

superficie del metallo base vicino al cordone, tipici della saldatura manuale a

elettrodi rivestiti (basico e cellulosico) e del procedimento MAG (CO2). Gli

spruzzi di saldatura appaiono nell’immagine radiografica sotto forma di piccole

macchie bianche sia sul cordone di saldatura sia nel materiale base.

Questo tipo di difetto è pericoloso, soprattutto per i giunti che operano in

ambienti chimicamente aggressivi, poiché rappresentano un facile innesco per

l’attacco corrosivo. Inoltre, su acciai ad elevata resistenza, in corrispondenza

degli spruzzi possono avere luogo pericolosi fenomeni di tempra localizzati,

eventualmente accompagnati dalla formazione di piccole cricche.

Colpi d’arco

Consistono in una fusione localizzata del materiale base che è avvenuta senza

deposito di materiale d’apporto. Si tratta di difetti tipici dei procedimenti

manuali ad arco e sono provocati dalla scarsa cura del saldatore che innesca

l’arco sul materiale base e non, come è regola, su un lembo del cianfrino.

Tali fusioni localizzate possono essere particolarmente pericolose su materiali

base temprati, specialmente se sono accompagnate dalla presenza di piccole

cricche.

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