Controllo ultrasonoro mediante Phased Array di saldature ... CARBONI CONTROLLO... · Ispezione ultrasonora . Introduzione . Prove sperimentali . Simulazione numerica . Definizione

Controllo ultrasonoro mediante Phased Array di saldature alluminotermiche in rotaie ferroviarie

Michele CARBONI, Stefano BERETTA, Paolo TERRANOVA, FERROVIENORD

Definizione del problema

Lunga rotaia saldata (l.r.s) Sostituzione degli tradizionali giunti meccanici con altri saldati di tipo alluminotermico

2

Introduzione Prove sperimentali

Simulazione numerica

Definizione POD Conclusioni

Definizione del problema 2




• Monitoraggio periodico mediante CND







• Cricche da fatica semiellittiche al piede di rotaia ne causano la rottura fragile perpendicolarmente all’asse del binario.







• Cricche da fatica semiellittiche al piede di rotaia ne causano la rottura fragile perpendicolarmente all’asse del binario.

Necessità di valutare anche l’ispezione del fianco della suola


Damage Tolerance (DT) 3




Carichi applicati

Approccio DT: all’interno del pezzo esaminato esiste sempre un difetto





Carichi applicati

Proprietà materiale






Carichi applicati


Probabilità di rilevazione


1 0.9

a a90/95

POD(a)





Carichi applicati




Definizione dell’intervallo di

ispezione

1 0.9

a a90/95

POD(a)

a90/95

aMAX

a

N Vita utile H

Intervallo di ispezione H/2





a90/95

aMAX

a

N Vita utile H

Intervallo di ispezione H/2

↓ a90/95

↔ Intervallo di ispezione

↓ Costi


Definizione dell’intervallo di

ispezione

Carichi applicati



Ispezione ultrasonora




Ultrasuoni = onde con frequenza superiore a quella udibile (106 Hz)

UNI EN 14730: UT tradizionali (sonda monocristallo) Ispezione

rotaia

4






Ispezione rotaia

UNI EN 14730: UT tradizionali (sonda monocristallo)

Ferrovienord: Phased Array

4







Phased Array: Sistema evoluto per la rilevazione ad ultrasuoni (a partire dagli anni ‘80)


Ispezione rotaia

• separazione del monocristallo in più elementi • possibilità di variare elettronicamente il ritardo e l’eccitazione di ogni

elemento

4









Ispezione rotaia

• Steering e focalizzazione del fascio


elemento

4






Ispezione rotaia



• Steering e focalizzazione del fascio • Ispezioni lineari e angolate con la stessa sonda (S-Scan)



elemento

4

Obbiettivi del lavoro

Valutazione sperimentale della risposta del difetto esaminato

Modellazione numerica del controllo e definizione delle curve di probabilità di rilevazione (POD)

Ampliamento della procedura ispettiva attualmente prevista

1

2

3




5

Obbiettivi del lavoro

Valutazione sperimentale della risposta del difetto esaminato

Modellazione numerica del controllo e definizione delle curve di probabilità di rilevazione (POD)

Ampliamento della procedura ispettiva attualmente prevista

1

2

3




Calcolo del massimo difetto non rilevabile

5

Sommario




• Prove sperimentali

• Simulazione numerica

• Definizione curve POD

• Conclusioni

6

7 Sommario







• Conclusioni

Realizzazione blocchi campione

• N.ro 2 blocchi campione del tipo 60E1- 60E1 con difetti artificiali




8

Realizzazione blocchi campione

• N.ro 2 blocchi campione del tipo 60E1- 60E1 con difetti artificiali




Difetti

• difetti di profondità da 0.5 mm a 2 mm • aspect ratio (a/c) = 0.4 • difetti realizzati con fresa a punta sferica

riprendendo il difetto precedente

8

Modalità di ispezione




8





Superficie di rotolamento

8






Piano di steccatura inferiore

8







8

Posizionamento







8

Posizionamento

• SX: non attraversando il cordone

SX

Difetto


Posizionamento

• SX: non attraversando il cordone

• DX: attraversando il cordone






SX DX

Difetto

8

Ispezione dalla superficie di rotolamento




Da procedura operativa • Taratura settoriale 40°- 60° • Sonda 2L64-A2 (2.25 MHz, 64 elementi lineari)

9





Da procedura operativa

Segnale riconducibile allo spigolo opposto di saldatura

60° 40° 50°

50°

• Taratura settoriale 40°- 60° • Sonda 2L64-A2 (2.25 MHz, 64 elementi lineari)

9





Da procedura operativa


Segnale proveniente dal difetto ispezionato

40°

60° 40° 50°

50°

difetto

60° 40° 50°

50°

• Taratura settoriale 40°- 60° • Sonda 2L64-A2 (2.25 MHz, 64 elementi lineari)

9





0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

A [%

]

a [mm]

Ispezione senza attraversamento della saldatura

Campione 1 Campione 2

Al crescere del difetto :

• da SX si ha andamento lineare tra profondità e risposta del difetto

10





0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

A [%

]

a [mm]

Ispezione senza attraversamento da SX Campione 1 Campione 2



10





0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

A [%

]

a [mm]




• da DX non è possibile individuare un andamento univoco

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

A [%

]

a [mm]

Ispezione con attraversamento Campione 1 Campione 2





0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

A [%

]

a [mm]


10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

0 0,5 1 1,5 2 2,5

A [%

]

a [mm]

Ispezione con attraversamento da DX Campione 1 Campione 2

È necessario ispezionare sempre senza attraversamento della saldatura

Ispezione dal piano di steccatura inferiore

• Taratura settoriale 50°- 70° • Sonda 2L8-DGS1 (2.25 MHz, 8 elementi lineari)

Definita ex-novo

11





70° 50°

70°



Definita ex-novo

11




70°

50°

70° 50°

difetto


70° 50°

70°



Segnale proveniente dal difetto ispezionato

Definita ex-novo

11




Sommario







• Conclusioni

13

Proprietà acustiche del materiale




Attenuazione: fenomeno acustico per il quale il fascio ultrasonoro propaga in un mezzo fino ad estinguersi

14





Blocco campione appositamente realizzato

• Metallo base (MB): R260 • Zona termicamente alterata (ZTA) • Saldatura (ZF)


14








14







Sono state valutate:

• Attenuazione onde longitudinali


0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

α [

dB

/m]

Distanza da asse saldatura [mm]

DP 20 DP10

14








• Attenuazione onde longitudinali • Attenuazione onde trasversali • Velocità (vL e vT)


0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

α [

dB

/m]


DP 20 DP10

14








• Attenuazione onde longitudinali • Attenuazione onde trasversali • Velocità (vL e vT)


0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

α [

dB

/m]


DP 20 DP10

14

differente comportamento =

diversa struttura cristallina del materiale

0

5

10

15

20

25 0 50 100 150 200

Δ d

B

Distanza [mm]


Sperimentale CIVA_noatt CIVA_att

Calibrazione risultati numerici




Utilizzato software CIVAnde 11.0

Simulazione della procedura di calibrazione

• N.ro 2 rotaie campione con 6 fori a fondo piatto (SDH), Ø 5 mm.

• Valutati i dB per portare all’80% il segnale con entrambe le configurazioni

0

5

10

15

20

25

30 0 20 40 60 80 100

Δ d

B

Distanza [mm]


15

0

5

10

15

20

25 0 50 100 150 200

Δ d

B

Distanza [mm]


Sperimentale CIVA_noatt CIVA_att

Calibrazione risultati numerici




Utilizzato software CIVAnde 11.0

Simulazione della procedura di calibrazione

• N.ro 2 rotaie campione con 6 fori a fondo piatto (SDH), Ø 5 mm.

• Valutati i dB per portare all’80% il segnale con entrambe le configurazioni

0

5

10

15

20

25

30 0 20 40 60 80 100

Δ d

B

Distanza [mm]


Occorre considerare l’attenuazione

15

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,5 1 1,5 2

A [%

]

a [mm]


Sperimentale CIVA_att

Confronto e validazione




Risultati sperimentali vs numerici

• Simulati 5 difetti rettangolari planari per l’ispezione dalla superficie di rotolamento

0

50

100

150

200

250

0 0,5 1 1,5 2

A [%

]

a [mm]


• Simulati 5 difetti planari che replicassero quelli ottenuti con la fresa a disco per l’ispezione dal piano di steccatura inferiore

16

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0,5 1 1,5 2

A [%

]

a [mm]


Sperimentale CIVA_att

Confronto e validazione




Risultati sperimentali vs numerici

• Simulati 5 difetti rettangolari planari per l’ispezione dalla superficie di rotolamento

0

50

100

150

200

250

0 0,5 1 1,5 2

A [%

]

a [mm]


• Simulati 5 difetti planari che replicassero quelli ottenuti con la fresa a disco per l’ispezione dal piano di steccatura inferiore

I modelli replicano con buona approssimazione i risultati sperimentali (ΔdB < 2dB)

16

Ottimizzazione procedura ispettiva




Prove sperimentali Segnale massimizzato sugli angoli limite della S-scan

• Verifica geometria campo ultrasonoro e copertura della zona ispezionata

17







Nuovi limiti angolari per le S-Scan

17







• Per la superficie di rotolamento 40°-60° 35°- 60°


17









17








• Per il piano di steccatura inferiore 50°-70° 40°- 65°


17








• Per il piano di steccatura inferiore 50°-70° 40°- 65°

Vantaggi operativi e di post-analisi dell’immagine


17

Sommario







• Conclusioni

18

Definizione curve POD




Metodi di calcolo • Hit / miss • Signal Response (a vs â)

19






Ipotesi del modello di Berens

• Correlazione lineare tra a e â in un diagramma bi-logaritmico

ln(a)

ln(â) μ(a)

19








• Distribuzione gaussiana dell’ampiezza di risposta centrata su μ(a) con σ costante

ln(a)

ln(â) μ(a)

σ

19

σ









ln(a)

ln(â) μ(a)

ln(âth) σ

19

σ









ln(a)

ln(â) μ(a)

ln(âth)

POD 1

0.5

a ath

σ

19

σ









ln(a)

ln(â) μ(a)

ln(âth)

POD 1

0.5

a ath

σ

19

σ

La curva POD è ottenuta facendo una regressione lineare dei dati sperimentali

•Occorre considerare difetti con area differente •Necessarie almeno 30 difetti per ciascuna area









ln(a)

ln(â) μ(a)

ln(âth)

POD 1

0.5

a ath

σ

19

σ

Campagna sperimentale economicamente onerosa











ln(a)

ln(â) μ(a)

ln(âth)

POD 1

0.5

a ath

σ

19

σ

Campagna sperimentale economicamente onerosa

Metodo MAPOD (Model Assisted

Probability of Detection)



Definizione dei parametri di calcolo





• Sonda allineata all’asse della sezione

• Posizione variabile del difetto

20

Occorre definire Parametri variabili Dimensione caratteristica










• Disassamento della sonda dovuto all’inclinazione del piano di appoggio

20


pdf











20


pdf

Distribuzione di probabilità uniforme sulla coordinata y del difetto











20


pdf

Distribuzione di probabilità uniforme sulla coordinata y del difetto

Il segnale non cambia a parità di area del difetto

Curve POD





21

• Rumore: 6% • Saturazione: 200% • âth = 20%

Curve POD





22

• Rumore: 6% • Saturazione: 200% • âth = 20%

Sommario







• Conclusioni

23

Conclusioni




24

Conclusioni




24




Grazie per l’attenzione !!!

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