L'evoluzione dei test ad ultrasuoni (UT) dall'UT convenzionale al metodo di focalizzazione totale

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Il test ad ultrasuoni è una delle tante tecniche non distruttive utilizzate per l'ispezione dei componenti. Viene utilizzato in molti settori, tra cui la costruzione di acciaio e alluminio, la metallurgia, l'industria manifatturiera, l'aerospaziale, l'automotive e altri settori dei trasporti. La tecnica offre numerosi vantaggi tra cui facilità d'uso, velocità, penetrazione, precisione e sensibilità. Nel corso degli anni, la tecnologia è migliorata notevolmente e continuamente, offrendo ora una potenza di imaging avanzata con alta risoluzione.

Il test ad ultrasuoni, o UT, viene eseguito inviando un impulso elettrico a un trasduttore costituito da uno o più cristalli piezoelettrici. I cristalli convertono l'energia elettrica in vibrazioni meccaniche inviate al componente tramite un mezzo di accoppiamento. L'onda acustica interagisce con tutte le discontinuità interne al componente (difetti, geometria, ecc.) e ritorna al trasduttore dove le vibrazioni vengono riconvertite in segnale elettrico. I dati possono quindi essere visualizzati in una serie di visualizzazioni diverse come A-scan, B-scan, C-scan o T-scan, ciascuna delle quali fornisce un modo diverso di osservare i dati di ispezione.

Quando sono iniziati i test a ultrasuoni, gli strumenti a ultrasuoni si affidavano interamente a trasduttori a elemento singolo per i quali un cristallo piezoelettrico genera e riceve ultrasuoni. La tecnica è stata estesa ai trasduttori a doppio elemento che hanno due cristalli, uno emettitore e l'altro ricevente.

A seconda del tipo di ispezione, le misurazioni vengono generalmente eseguite con un'incidenza normale (spessimetro, mappatura della corrosione) o utilizzando un raggio angolare (ispezione delle saldature). Le ispezioni con incidenza normale possono essere eseguite con il trasduttore direttamente a contatto con il provino o utilizzando una linea di ritardo (immersione o cuneo L0) per proteggere la faccia anteriore del trasduttore; ciò è particolarmente utile quando si esegue la scansione del trasduttore lungo la superficie del componente. Le ispezioni del raggio angolare vengono eseguite modificando l'angolo di incidenza del trasduttore sia in immersione che con cuneo. Gli operatori possono scegliere l'angolo di propagazione all'interno del materiale utilizzando la legge di Snell, che descrive la relazione tra gli angoli incidenti e rifratti in base alla velocità ultrasonica (onde longitudinali o di taglio) all'interno del componente e del cuneo.

Poiché viene utilizzato solo uno (o due) cristalli piezoelettrici, la sensibilità e la risoluzione dell'ispezione dipendono fortemente dalla scelta delle caratteristiche del trasduttore. La sensibilità è la capacità di rilevare piccole indicazioni mentre la risoluzione (assiale e laterale) è la capacità di discernere due indicazioni separate vicine l'una all'altra. Entrambi dipendono dalla forma del fascio, principalmente dalla dimensione, rispetto alla dimensione delle indicazioni e alle caratteristiche del segnale elettrico inviato all'elemento piezoelettrico.

La risoluzione assiale può essere migliorata aumentando la frequenza centrale (lunghezza d'onda più piccola) e smorzando il trasduttore. Tuttavia, frequenze più elevate sono solitamente associate a una maggiore attenuazione all'interno del cuneo e del pezzo da testare, e uno smorzamento eccessivo porta a perdite di ampiezza, che portano entrambe a una minore sensibilità.

La risoluzione laterale è elevata quando la larghezza del fascio è stretta. Tipicamente, la larghezza del raggio è uguale alla larghezza del trasduttore vicino al trasduttore. Quindi, il raggio converge alla sua larghezza più stretta ad una distanza chiamata limite del campo vicino. Infine, il raggio diverge in una zona chiamata campo lontano. La distanza del campo vicino e la diffusione del fascio nel campo lontano dipendono dalle dimensioni e dalla frequenza centrale del trasduttore. La risoluzione laterale può essere migliorata utilizzando trasduttori focalizzati, cioè trasduttori con un cristallo piezoelettrico di forma sferica o cilindrica. Mentre la risoluzione laterale migliora, la profondità di campo diminuisce.

Molto spesso, gli operatori devono scendere a compromessi tra sensibilità e risoluzione e scegliere i trasduttori in base alla rilevabilità prevista e alla capacità di dimensionamento richiesta dagli standard.