Le cricche nei dispositivi di fissaggio possono compromettere l'integrità strutturale e la sicurezza nelle applicazioni ingegneristiche. L'individuazione precoce di queste cricche è fondamentale. Questo articolo approfondisce i metodi di controllo non distruttivi (NDT) tradizionali e moderni, evidenziando tecniche come l'analisi wavelet e gli impulsi elettromagnetici. I lettori potranno conoscere gli ultimi progressi nelle tecnologie di rilevamento delle cricche e le loro applicazioni pratiche, che garantiscono l'affidabilità e la durata dei dispositivi di fissaggio in vari settori.
Questo articolo fornisce una sintesi dello stato attuale delle tecnologie di rilevamento delle cricche, compresi i loro vantaggi e limiti, nonché i temi caldi e le direzioni di sviluppo future. Si basa sui metodi di rilevamento delle cricche dei dispositivi di fissaggio esistenti, con particolare attenzione all'analisi wavelet e ai test non distruttivi a impulsi elettromagnetici.
I dispositivi di fissaggio sono ampiamente utilizzati in vari settori dell'ingegneria, quali macchinari, costruzioni, ponti e produzione di petrolio. In quanto componenti di base di grandi strutture, i dispositivi di fissaggio sono soggetti a vari difetti, tra cui cricche, corrosione, buche e danni causati dall'uomo durante il funzionamento.
I difetti delle cricche rappresentano una minaccia significativa per la sicurezza e l'affidabilità di strutture e istituzioni, rendendo il rilevamento delle cricche un aspetto essenziale della valutazione strutturale. Il rilevamento delle cricche comporta l'identificazione e la valutazione delle cricche nelle strutture meccaniche per determinarne la posizione e l'estensione.
Con il progresso della moderna produzione di macchinari, dell'elettronica e della tecnologia informatica, i controlli non distruttivi (NDT) sono migliorati in modo significativo, portando allo sviluppo di tecniche avanzate di rilevamento delle cricche.
Questo articolo fornisce una panoramica dei metodi tradizionali di rilevamento delle cricche e si concentra sui moderni metodi NDT basati sull'analisi wavelet e sugli impulsi elettromagnetici (eddy current). Inoltre, evidenzia gli attuali temi caldi e le future direzioni di sviluppo delle tecniche di rilevamento delle cricche per gli elementi di fissaggio.
Esistono numerose tecniche tradizionali di rilevamento delle cricche, che possono essere classificate in due gruppi: metodi di rilevamento convenzionali e non convenzionali.
I metodi di rilevamento convenzionali comprendono i test a correnti parassite, i test con liquidi penetranti, i test con particelle magnetiche, i test con radiazioni e i test a ultrasuoni. I metodi di rilevamento non convenzionali, invece, comprendono i test di emissione acustica, i test a infrarossi e i test laser olografici.
Attualmente, i metodi di prova convenzionali sono ampiamente utilizzati per il semplice rilevamento delle cricche in settori ingegneristici come i macchinari, le costruzioni e la produzione di petrolio. I metodi utilizzati variano a seconda dell'istituzione.
Ad esempio, i test a ultrasuoni sono utilizzati principalmente per ispezionare piastre metalliche, tubi, barre, fusioni, fucinati e saldature, nonché strutture in calcestruzzo come ponti e costruzioni edilizie. I test a raggi X sono utilizzati principalmente per ispezionare fusioni e saldature in settori quali macchinari, armi, costruzioni navali, elettronica, aerospaziale, petrolchimico e altri. I test con particelle magnetiche sono utilizzati principalmente per l'ispezione di fusioni, fucinati e saldature. I test di penetrazione sono utilizzati principalmente per l'ispezione di fusioni, fucinati, saldature, parti di metallurgia delle polveri e prodotti metallici ferrosi e non ferrosi in ceramica, plastica e vetro. Il rilevamento a correnti parassite è utilizzato principalmente per il rilevamento dei difetti e la selezione dei materiali di tubi, barre e fili conduttori.
Per il rilevamento delle cricche negli elementi di fissaggio, si possono utilizzare i test a ultrasuoni e il rilevamento a correnti parassite. Ad esempio, uno studio sperimentale ha individuato i migliori parametri di rilevamento a correnti parassite per le cricche di piccole dimensioni negli elementi di fissaggio. I risultati dello studio hanno mostrato che i migliori parametri di rilevamento avevano una relazione lineare tra i parametri di rilevamento di piccole cricche e il segnale di fase, il che è importante per migliorare l'accuratezza del rilevamento di piccole cricche nelle barre e per selezionare i parametri di rilevamento delle correnti parassite per i dispositivi di fissaggio esterni. Tuttavia, il rilevamento a correnti parassite presenta più fattori di interferenza e richiede tecniche speciali di elaborazione del segnale.
Un altro metodo utilizzato per il rilevamento delle cricche è quello della struttura dello spettro energetico di propagazione delle onde di Lamb, noto per la sua forte capacità di penetrazione, l'elevata sensibilità, la velocità e la convenienza. Tuttavia, presenta delle limitazioni, come punti ciechi e ostruzioni, che possono portare alla mancata individuazione di cricche vicine. Il metodo è inoltre impegnativo per la caratterizzazione quantitativa e qualitativa dei difetti riscontrati.
Per la maggior parte degli elementi di fissaggio, vengono utilizzati metodi di analisi delle particelle magnetiche e di rilevamento dei difetti mediante fluorescenza. Questi metodi sono relativamente efficienti, ma consumano risorse umane e materiali e possono danneggiare la salute umana. Inoltre, le ispezioni mancate sono spesso dovute a fattori umani.
Quando i metodi di prova convenzionali non riescono a rilevare le cricche negli elementi di fissaggio, si possono utilizzare in alternativa metodi di prova non convenzionali.
Tre metodi di rilevamento delle fessure non convenzionali comunemente utilizzati sono:
1) Tecnologia di emissione acustica.
La tecnologia dell'emissione acustica è ampiamente riconosciuta come il metodo più avanzato per il rilevamento delle cricche nelle apparecchiature a pressione. È stata utilizzata con successo nella valutazione della sicurezza di recipienti a pressione e condutture, nonché nel rilevamento di cricche in materiali aerospaziali e compositi. Nel campo della diagnosi delle cricche delle macchine rotanti, è stato utilizzato principalmente per rilevare cricche in alberi rotanti, ingranaggi e cuscinetti.
Uno dei vantaggi principali dell'emissione acustica è che si tratta di un metodo di rilevamento dinamico, che utilizza l'energia emessa dall'oggetto da testare piuttosto che quella proveniente dall'esterno. controlli non distruttivi come i test a ultrasuoni o radiografici. Ciò lo rende altamente sensibile ai difetti e in grado di rilevare e valutare lo stato dei difetti attivi nell'intera struttura.
Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi da considerare. Il rilevamento delle emissioni acustiche è fortemente influenzato dal materiale in esame e può essere disturbato dai disturbi elettrici e meccanici presenti nell'ambiente di prova. Inoltre, l'accuratezza del rilevamento può essere limitata dalla bassa precisione di posizionamento e le informazioni ottenute dall'identificazione delle cricche sono spesso limitate.
2) Rilevamento a infrarossi.
La tecnologia dei controlli non distruttivi (NDT) a infrarossi è ampiamente utilizzata in diversi settori, tra cui le apparecchiature elettriche, le apparecchiature petrolchimiche, le lavorazioni meccaniche, il rilevamento degli incendi, l'analisi delle colture e il rilevamento dei difetti nei materiali e nei componenti.
Uno dei principali vantaggi dell'NDT a infrarossi è che si tratta di una tecnologia di test senza contatto, sicura, affidabile, innocua per l'uomo e altamente sensibile. Ha un ampio campo di rilevamento, una velocità elevata e non ha alcun impatto sull'oggetto da testare. Inoltre, ha un'elevata risoluzione spaziale su lunghe distanze.
Tuttavia, ci sono anche alcuni svantaggi da considerare. La sensibilità di rilevamento degli infrarossi dipende dall'emissività termica del provino e può essere influenzata dalle interferenze superficiali e dalla radiazione di fondo. La risoluzione del campione originale è scarsa e rende difficile misurare con precisione la forma, le dimensioni e la posizione dei difetti, soprattutto quando sono piccoli o sepolti in profondità.
Inoltre, l'interpretazione dei risultati dei test è complessa e richiede standard di riferimento, e gli operatori devono essere formati per utilizzare la tecnologia in modo efficace.
3) Rilevamento olografico laser.
Il rilevamento olografico laser è utilizzato principalmente per l'ispezione di varie strutture, come strutture a nido d'ape, materiali compositi, gusci di motori a razzo solidi, strati di isolamento, strati di rivestimento e interfacce di grani di propellente per il rilevamento dei difetti. Viene inoltre utilizzata per la valutazione della qualità dei giunti di saldatura dei circuiti stampati e per il rilevamento di cricche da fatica nei recipienti a pressione.
Questo metodo offre diversi vantaggi, tra cui la facilità d'uso, l'elevata sensibilità, l'assenza di requisiti speciali per l'oggetto testato e la possibilità di eseguire un'analisi quantitativa dei difetti.
Tuttavia, uno degli svantaggi è che i difetti di debonding profondamente sepolti possono essere rilevati solo quando l'area di debonding è notevole.
Inoltre, il rilevamento olografico laser richiede in genere un ambiente buio e misure rigorose di isolamento dalle vibrazioni, il che lo rende meno adatto ai test in loco e presenta alcune limitazioni.
Con i progressi della scienza e della tecnologia, è cresciuta la domanda di metodi più avanzati per il rilevamento delle cricche in vari settori dell'ingegneria, come i macchinari, le costruzioni e la produzione di petrolio. Ciò ha portato alla nascita di nuove tecnologie per il rilevamento delle cricche.
L'elaborazione del segnale e i controlli non distruttivi a impulsi elettromagnetici (a correnti parassite) sono due delle nuove tecnologie più utilizzate ed efficaci per rilevare le cricche. Questi metodi offrono soluzioni efficienti e affidabili per l'identificazione delle cricche in varie applicazioni.
Con il progredire della tecnologia di elaborazione dei segnali, sono emersi diversi metodi di rilevamento delle crepe basati sull'elaborazione dei segnali, tra cui metodi nel dominio del tempo, nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo-frequenza, come la trasformata di Fourier, la trasformata di Fourier di breve durata, la distribuzione di Wigner-Ville, la trasformata di Hilbert-Huang (HHT) e la separazione cieca delle fonti.
Tra questi metodi, l'analisi wavelet è il più utilizzato e rappresentativo.
I metodi di identificazione delle cricche che utilizzano l'analisi wavelet possono essere suddivisi in due categorie:
① Metodo di analisi della risposta nel dominio del tempo:
Questo metodo prevede l'utilizzo dei punti singolari della mappa di decomposizione nel dominio del tempo, la variazione dei coefficienti wavelet e la variazione di energia dopo la decomposizione wavelet. Lo scopo di questo metodo è quello di identificare il momento in cui si verifica il danno da cricca.
② Metodo di analisi basato sulla risposta spaziale:
Questo metodo utilizza la posizione spaziale dell'asse spaziale invece dell'asse temporale del segnale di risposta nel dominio del tempo per l'analisi wavelet, con la risposta nel dominio spaziale come ingresso. Questo metodo consente di determinare la posizione della cricca.
Mentre il metodo wavelet di per sé può solo determinare il momento in cui si verifica il danno o la posizione del danno, il primo ha più applicazioni. Per identificare piccole cricche, l'analisi wavelet deve essere combinata con altri metodi.
La tecnologia elettromagnetica combina più funzioni come il rilevamento a ultrasuoni, l'imaging a correnti parassite, l'array di correnti parassite e il rilevamento a correnti parassite pulsate per formare nuove tecnologie avanzate per l'ispezione elettromagnetica.
Le tecnologie più comuni per il rilevamento delle cricche includono il test a correnti parassite pulsate, la termografia a correnti parassite pulsate, i test non distruttivi a doppia sonda che utilizzano correnti parassite pulsate e trasduttori acustici elettromagnetici (EMAT) e la tecnologia di test della memoria magnetica metallica.
I test a correnti parassite pulsate prevedono l'eccitazione di una bobina con una corrente a impulsi, l'analisi del segnale di risposta transitoria nel dominio del tempo indotto dalla sonda di rilevamento e il rilevamento quantitativo delle cricche mediante la selezione del valore di picco, del tempo di attraversamento dello zero e del tempo di picco del segnale.
Una ricerca condotta da Yang Binfeng e altri ricercatori dell'Università Nazionale della Tecnologia della Difesa ha dimostrato che le correnti parassite pulsate possono rilevare quantitativamente cricche di diversa profondità con una sola scansione. Alcuni ricercatori utilizzano le bobine armoniche come tecnologia alternativa per i test a correnti parassite pulsate.
Tuttavia, il valore di picco del segnale a correnti parassite pulsate è facilmente influenzato da altri fattori, come l'effetto di sollevamento e la capacità di rilevamento della sonda a correnti parassite pulsate può influire sul rilevamento delle cricche.
Gli strumenti di imaging a correnti parassite pulsate utilizzano bobine come sensori di ispezione, mentre alcuni utilizzano sensori di Hall. Negli ultimi anni, gli strumenti di interferenza super quantistica hanno iniziato a essere utilizzati nel campo delle ispezioni non distruttive.
La tecnologia di termografia a correnti parassite pulsate elimina l'effetto "lift-off" presente in altri rilevamenti e garantisce risultati di imaging accurati. Alcuni ricercatori utilizzano fasci laser YNG con una forma gaussiana sulla superficie di lamiere di metalloche utilizzano la tecnologia di rilevamento a correnti parassite pulsate e trasduttori acustici elettromagnetici. Identificano le cricche rilevando un cambiamento improvviso nella forma d'onda ultrasonica o un aumento improvviso delle componenti di frequenza quando il raggio laser irradia la cricca.
L'attuale ricerca sul rilevamento delle cricche nei dispositivi di fissaggio si basa principalmente su metodi tradizionali. Per far progredire la tecnologia di rilevamento e affrontare le sfide dell'applicazione pratica, l'attenzione dell'identificazione dei danni da cricca si sta spostando verso due aree chiave: i metodi di identificazione statistica che tengono conto dell'incertezza e il rilevamento delle microcricche nei dispositivi di fissaggio.
L'incertezza insita nel rilevamento dei danni da cricca rende necessaria l'applicazione di metodi di inferenza statistica per affrontare i problemi di identificazione dei sistemi. Con il progredire della ricerca sull'identificazione dei danni, cresce l'attenzione per i metodi basati sulla teoria statistica probabilistica, in particolare nelle applicazioni di identificazione dei sistemi e di riconoscimento dei modelli.
Sebbene esistano diversi metodi per rilevare le microcricche negli elementi di fissaggio, come la tomografia computerizzata industriale (TIC) e la proiezione laser a ultrasuoni con riscaldamento assistito da laser, ognuno di essi presenta dei limiti. Il rilevamento di microcricche basato sull'ICT può avere problemi di qualità dell'immagine e di risoluzione dei dettagli quando il contrasto dei valori di grigio tra la cricca e lo sfondo è insufficiente. Inoltre, la definizione accurata dell'intervallo spaziale contenente tutte le microfessure utilizzando il software VG Studio MAX rimane una sfida. Il metodo di proiezione laser a ultrasuoni, pur essendo promettente, è complesso da utilizzare e non adatto ad ambienti difficili, il che indica la necessità di un ulteriore perfezionamento.
Con l'evoluzione dei requisiti industriali e lo sviluppo economico, i requisiti dei metodi di rilevamento delle cricche dei dispositivi di fissaggio diventano sempre più stringenti. I futuri sistemi di rilevamento devono offrire:
Per soddisfare queste esigenze, si stanno esplorando tecnologie emergenti come gli algoritmi di apprendimento automatico per il riconoscimento dei modelli, le tecniche avanzate di controllo non distruttivo (NDT) come gli ultrasuoni phased array e le nuove tecnologie dei sensori. L'integrazione di queste tecnologie con i metodi tradizionali può portare a sistemi di rilevamento delle cricche più robusti e versatili per i dispositivi di fissaggio in varie applicazioni industriali.
Sono state condotte numerose ricerche sull'identificazione del danno da cricca nei dispositivi di fissaggio, ma gli attuali metodi e indicatori di identificazione del danno sono limitati ai metodi di rilevamento tradizionali. Considerando il costo delle apparecchiature di prova, l'ambiente in cui vengono utilizzate e i fattori umani, l'individuazione di cricche e microcricche multiple nei dispositivi di fissaggio è un'area di ricerca di interesse attuale.
La direzione di sviluppo del rilevamento delle cricche dei dispositivi di fissaggio è quella di ottenere un posizionamento rapido, una quantificazione accurata, migliorare l'accuratezza e l'affidabilità del rilevamento e ottenere un rilevamento rapido ed efficace delle cricche.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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