ESAME VISIVO E INTERFEROMETRIA OLOGRAFICA
Per esame visivo si intende l'ispezione degli oggetti a occhio nudo o col solo ausilio di lenti o endoscopi a basso fattore di ingrandimento. Il corretto e approfondito esame visivo degli oggetti e delle caratteristiche morfologiche delle loro superfici, è di fondamentale importanza nella diagnosi dei difetti metallurgici, perché costituisce la base per la corretta programmazione delle indagini, oltre a fornire moltissime informazioni di prima mano, talvolta già sufficienti a risolvere vari tipi di problematiche che possono presentarsi. L'esame visivo è indispensabile quale primo controllo non distruttivo sia delle materie prime destinate alla produzione, che dei prodotti finiti o semilavorati. Infatti consente immediatamente di riconoscere i diversi metalli dal colore, dalla lucentezza, dalla morfologia degli ossidi, dai colori distintivi e dalle marcature appositamente stampigliate. È validissimo per il controllo dei prodotti nelle fasi intermedie del ciclo di fabbricazione e durante il collaudo finale; infatti consente di valutare se l'oggetto abbia o meno le caratteristiche superficiali desiderate, la geometria e le dimensioni richieste e se sia, o meno, macroscopicamente difettoso.
Ovviamente l'esame visivo non può che rivelare difetti macroscopici superficiali; tuttavia non è inutile, allorché si debbano rivelare difetti interni, in quanto consente di stabilire quali siano le superfici più idonee da scandire con eventuali sonde atte allo scopo. Tale metodo si basa sull'impiego della luce come mezzo rilevatore dei difetti. Analizzando la direzione, l'ampiezza e la fase della luce diffusa o riflessa dalla superficie di un oggetto opaco, o trasmessa all'interno di un mezzo trasparente, si possono ottenere informazioni sullo stato fisico dell'oggetto in esame [1]. Quando la superficie da esaminare è accessibile, l'esame viene effettuato ad occhio nudo, con l'ausilio di lenti di ingrandimento o telecamere; le superfici inaccessibili possono essere ispezionate a vista con endoscopi a fibre ottiche, rigidi o flessibili, che permettono di accedere anche all'interno di particolari geometricamente complessi. I più sofisticati sono costituiti da telecamere aventi un diametro di 6-8 mm che vengono introdotte e guidate all'interno della cavità da esaminare [2]. Vi sono poi delle tecniche più sofisticate che permettono di allargare i campi di indagine e di avere maggiori informazioni rispetto ai metodi ottici tradizionali; la principale è l'interferometria olografica in doppia esposizione. Tale tecnica, del tipo "no contact"(non prevede il contatto con il pezzo da esaminare), è in grado di rilevare difetti superficiali e subsuperficiali in tutti i tipi di materiali. Tale analisi può essere effettuata in tempo reale, in loco, in servizio, su vaste aree e senza rimuovere gli eventuali rivestimenti dall'oggetto in esame. Essa consente una significativa riduzione dei tempi e costi di ispezione e la generazione di dati permanenti da elaborare su personal computer. Tipiche applicazioni sono:
· Tubi e recipienti in pressione in impianti a gas e petrolchimici;
· Componenti meccanici nel settore dei motori automobilistici;
· Pannelli, turbine e cavi in campo aerospaziale;
· Pannelli, vasche in pressione nel settore navale.
Il metodo di analisi è basato sulla cattura e l'elaborazione di immagini da un componente di test illuminato da una luce laser, un fascio monocromatico e coerente di luce (l = 7000-4000 Å) . Le immagini prese prima e dopo che il componente è stato sottoposto ad esempio a deformazione, modifica della pressione interna, carico meccanico o riscaldamento localizzato, sono raccolte sulla stessa lastra olografica, su cui si hanno quindi due esposizioni successive del campione in differenti condizioni di sollecitazione. Illuminando la lastra olografica con il fascio laser (che proviene direttamente dalla sorgente stessa) le due immagini virtuali interferiscono fra loro permettendo di generare un'immagine "differenziale". Questa immagine contiene bande o frange chiare e scure sovrapposte sul componente e dà informazioni sulla deformazione subita dal componente come risultato del carico applicato.
I difetti nel componente sono rilevati attraverso l'osservazione di dove vi sia distorsione o concentrazione di frange. La dimensione e la localizzazione di un difetto è direttamente correlata alla dimensione e alla posizione di una frangia anomala. La natura del difetto può essere determinata dalla firma spettrale della frangia anomala. Nelle immagini seguenti sono riportati due esempi di applicazione di tale tecnica: nella prima si ha l'esame di tubo metallico che presenta un crack (fenditura nella struttura del materiale) longitudinale e sub-superficiale, mentre nella seconda viene considerato un difetto presente in un contenitore sferico in pressione. In entrambe la presenza di frange di colore differente rivela che vi sono anomalie nella struttura.
LIQUIDI PENETRANTI
Il metodo con liquidi penetranti è la più anziana, economica e semplice tecnica usata per rivelare difetti, cricche o incrinature affioranti in superficie di qualsiasi tipo, a condizione che siano aperti. Il difetto viene scoperto attraverso la fuoriuscita di una tintura liquida fluorescente o colorata dalla frattura superficiale. La tintura (che può essere di natura organica o sintetica) può essere applicata per immersione, tamponatura o spruzzamento di qualsiasi materiale non poroso, sia magnetico che amagnetico. Questa tecnica è basata sulla capacità di un liquido di penetrare all'interno di fessure, cavità o cricche affioranti, anche sottilissime per azione capillare.
Questi liquidi sono caratterizzati da una bassa tensione superficiale e buona bagnabilità nei confronti del materiale su cui vengono stesi, poiché formano un velo, generalmente molto sottile ed omogeneo, su tutta la superficie. Altri liquidi, come l'acqua, hanno elevata tensione superfi-ciale e scarsa bagnabilità delle superfici, sulle quali formano preferibilmente gocce piuttosto che veli; pertanto non possono penetrare nelle fessure sottili. Il metodo consta di 4 fasi:
1. Applicazione del penetrante;
2. Asportazione dalla superficie dell'eccesso del penetrante;
3. Applicazione del rivelatore;
4. Ispezione visiva.
Dopo un periodo di tempo chiamato 'pausa', che permette al penetrante di entrare nelle fessure, l'eccesso di liquido è eliminato tramite lavaggio con acqua fredda, che non rimuove il liquido contenuto nelle cavità affioranti che non possono essere raggiunte dai liquidi con elevata tensione superficiale e scarsa penetrabilità. Dopo il lavaggio il penetrante viene estratto dai difetti superficiali, sfruttando il fenomeno della capillarità, mediante un adatto rivelatore, steso sulla superficie in modo tale da formare uno strato sottile di polvere bianca di adeguato spessore. Questo agisce come un 'tampone'.
Esso fa fuoriuscire il liquido penetrante dalla cricca e lo distende allagato sulla linea del difetto esterno in modo da lasciare un segnale assai più largo della fessura e molto contrastato, mettendo in evidenza il difetto che lo conteneva, attraverso una macchia di colore. Per migliorare la visibilità del liquido, bisogna massimizzare il contrasto con la superficie dell'oggetto da analizzare. I penetranti colorati (in genere rossi) richiedono una buona illuminazione "bianca", mentre i penetranti fluorescenti debbono essere usati in condizioni di oscurità e irradiati con luce ultra-violetta o di Wood [3].
Con tale metodo possono essere rilevati difetti in fusioni come giunti freddi, cricche di ritiro ecc. ; di fabbricazione come cricche di tempra o di saldatura, filature, sdoppiature di laminazione ecc.; e di servizio come cricche di fatica, di termocorrosione ecc. Il metodo non è vincolato al tipo di materiale o alla sua struttura; tuttavia tale tecnica mal si presta all'esame dell'integrità superficiale di:
· Pezzi porosi, getti di ghisa, alcuni microfusi di acciaio e quasi tutti i pezzi di acciaio sinte-rizzato;
· Pezzi con superfici troppo scabrose, rugose o filettate, o di geometria troppo complessa.
Infatti il metodo può presentare segnali in corrispondenza delle porosità, delle rugosità da la-vorazioni meccaniche più accentuate, o degli spigoli vivi di battute, o presso il fondo gola delle filettature. Inoltre è essenziale che il materiale sia accuratamente pulito, prima dell'applicazione del penetrante, altrimenti questo non riesce ad entrare nella cricca, in quanto quest'ultima può essere ostruita da sostanze grasse o ossidi ed incrostazioni. Inoltre se il penetrante rimasto in superficie non è accuratamente rimosso, si possono avere delle indicazioni sbagliate. I materiali che possono essere controllati sono: acciaio, materiali compositi, ghisa, vetro, alluminio, plastica.
Tale metodo, se pur economico e di facile impiego, presenta dei notevoli limiti che ne restrin-gono il campo di utilizzo:
· non si può applicare a superfici eccessivamente rugose e porose;
· l'esame è limitato a zone facilmente accessibili;
· si possono rivelare solo difetti superficiali che non siano chiusi;
· non si possono rivelare difetti troppo grossi, che siano accessibili anche all'acqua e che quindi non trattengano il penetrante;
· non si possono rilevare difetti troppo piccoli, non penetrabili dal liquido stesso o che non possano accumularne una sufficiente quantità;
· inoltre l'interpretazione dei risultati lascia un certo margine alla soggettività e all'esperienza interpretativa dell'operatore.
Una alternativa ai liquidi penetranti sono i liquidi filtranti che servono per evidenziare cricche superficiali in materiali porosi. Il metodo si basa sull'assorbimento differenziale di liquidi tra la superficie porosa e le incrinature. I difetti risultano evidenziati con linee di colore visibile o fluorescente con luce Wood.
TERMOGRAFIA ALL'INFRAROSSO
L a termografia all'infrarosso è una tecnica telemetrica in grado di determinare con notevole risoluzione spaziale e grande precisione la temperatura di una superficie attraverso la misura della radiazione "di corpo nero" che viene emessa da ogni oggetto in funzione della propria temperatura (legge di Stefan - Boltzmann); ogni corpo con temperatura superiore agli zero gradi assoluti emette radiazioni infrarosse.
La legge dell'emissione elettromagnetica, o legge di Planck, per una superficie unitaria di corpo nero ha la seguente formula [4]:
con:
c = 2.99*1010 [cm s-1]
h = 6.62*10-34 [W s2] costante di Planck
K = 1.38*10-23 [W s K-1]
lamda = lunghezza d'onda [m]
T = temperatura assoluta [K]
Wlamda = potenza radiante emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica, per unità di superficie e di lunghezza d'onda (exitanza).
L'entità della radiazione è proporzionale alla temperatura del corpo emittente, e la radiazione stessa viene rilevata da una cella che, per effetto fotovoltaico, la trasforma in segnali elettrici; quindi è possibile presentare su di uno schermo l'immagine termica del pezzo esaminato. L'andamento della radiazione di corpo nero è rappresentata da:
Difetti superficiali e subsuperficiali sono rivelati da anomalie nella distribuzione delle tempe-rature nell'oggetto in esame. La termovisione quale mezzo di diagnosi non distruttiva presenta un vasto campo di applicazioni che vanno dai rilevamenti su strutture in muratura a quelli sulle opere d'arte, all'analisi di componenti elettriche, di resistenze e finanche a controlli sul corpo umano [5].
Il calcestruzzo è un buon esempio di materiale che non può essere ispezionato mediante la maggior parte delle tecniche di controllo non distruttivo. Non conduce, non è magnetico e presenta una fortissima attenuazione agli ultrasuoni. Anche se non è neanche un buon conduttore di calore, con questo metodo è possibile identificare difetti a larga scala. L'esame di materiali complessi o compositi quali ceramiche, fibre di vetro o di carbonio, può essere eseguito con indagini di questo tipo, sebbene si siano fatti notevoli progressi anche con indagini mediante ultrasuoni. Bisogna far notare come spesso si usino dei rivestimenti anticorrosivi per isolare o proteggere i materiali; se però si formano delle crepe nel rivestimento anticorrosione molte volte il danno è anche peggiore di quello provocato dall'assenza del rivestimento. Anche in questo caso la tecnica termografica fornisce un valido aiuto [6]. Molti condotti trasportano liquidi ad alte temperature, il che ne permette l'uso con maggiore facilità ed efficacia. La medicina a raggi infrarossi non è altro che un caso speciale della tecnica vista sopra e adattata allo studio dei materiali. Vi sono due tipi di applicazione di tale metodo:
Allorché si va ad effettuare tale tipo di esame, vi possono essere alcuni fattori come l'influenza ambientale, le turbolenze d'aria, un coefficiente di radiazione infrarossa disomogeneo, che possono dar luogo a falsi allarmi o peggio celare anomalie reali e pericolose. Tale tecnica è particolarmente efficace nell'ispezione di oggetti di grandi dimensioni tant'è che in campo aeronautico sono analizzate intere superfici di aerei o elicotteri [7].
La figura seguente, ad esempio, rappresenta i risultati dell'indagine sulla fusoliera di un elicottero costituita da pannelli di CFRP ( polimero rinforzato in fibra di carbonio). L'immagine a), mostra il riscaldamento non uniforme del pezzo, mentre l'immagine b), rivela la struttura interna e i danni presenti. Il danno nella fusoliera in questo caso (falla nella struttura in parte riempita di acqua dovuta ad impatto) appare come dei punti sullo sfondo della struttura integra.
La seguente figura mostra l'analisi di longheroni [8] che rivelano poca aderenza con la superficie esterna del velivolo: le linee orizzontali chiare sono interrotte dove il trasporto del calore è ridotto.
Molto importante, sempre per il settore aeronautico, per il quale la sicurezza è un fattore primario da garantire, è il controllo che con questa tecnica è possibile effettuare dei bulloni allentati [9]. Un'immagine ottenuta su pannelli di metallo tenuti insieme da viti serrate con differenti coppie è presentata nella figura:
note
[1] A. BOBBIO - M. GATTI, Elettromagnetismo e ottica, Torino 1990.
[2] J. VANGHANSEN - A. H. JENSEN, Videoendoscopy for Visual Testing of Welds in Pharmaceutical Plants, in NDT.NET, ott. 1998.
[3] R. H. WOOD, fisico americano (1868, 1955), ha studiato la particolare radiazione ultravioletta cui è stato dato il suo nome (luce di Wood): ottenuta attraverso un filtro ottico all'ossido di Nichel da lui ideato, questa radiazione non è nociva ed ha molte applicazioni pratiche (controlli delle merci, ricerca di sofisticazioni nelle sostanze, ecc.).
[4] A. BOBBIO - M. GATTI, op. cit.
[5] A. ZANOBINI, L'affidabilità dei controlli non distruttivi, Firenze 1994.
[6] E. ROSINA, La tecnica termografica, Dipartimento Conservazione e Storia dell'Architettura, Politecnico di Mila-no, Milano 1998.
[7] A. SALERNO - G. BUSSE, Thermography for Non Destructive Evaluation of Aerospace Structures, in NDT.NET, vol. 3, n°9 1998.
[8] Trave metallica di sezione varia, che nelle strutture di aerei, automobili, ecc., sostiene il carico.
[9] M. SCHAWAB, Infrared Imaging, in NDT&E.NET, vol.2, n°9 1998.
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