Prova Ultrasuoni su Saldature in Acciaio Duplex: Identificazione dell'Equilibrio tra Ferrite e Austenite e Possibili Difetti

Prova Ultrasuoni su Saldature in Acciaio Duplex: Identificazione dell'Equilibrio tra Ferrite e Austenite e Possibili Difetti

Gli acciai inossidabili duplex sono un pilastro dell'industria moderna, apprezzati per la loro eccezionale resistenza e capacità di sopportare la corrosione. Tuttavia, la loro complessa microstruttura bifasica (austenite e ferrite) presenta sfide uniche per i test non distruttivi (NDT). Il controllo mediante ultrasuoni (UT) è uno strumento essenziale per garantire l'integrità dei giunti saldati in acciaio duplex, ma richiede una profonda comprensione di come le proprietà del materiale influenzano l'ispezione. Questa guida fornisce un quadro pratico per utilizzare l'UT al fine di valutare sia la qualità della saldatura che la microstruttura degli acciai inossidabili duplex.

Perché il controllo mediante ultrasuoni è essenziale per le saldature duplex

La saldatura degli acciai inossidabili duplex è un'operazione delicata che richiede un equilibrio preciso. Il processo deve raggiungere due obiettivi fondamentali:

1. Una saldatura priva di difetti: Assenza di crepe, mancata fusione, porosità e inclusioni.

2. Una microstruttura bilanciata: Mantenere un equilibrio di fase di circa il 50% di austenite e il 50% di ferrite per preservare le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione.

UT è il metodo principale per verificare il primo obiettivo. Tuttavia, il secondo obiettivo influenza direttamente l'ispezione UT stessa. Una microstruttura squilibrata può mascherare difetti o creare indicazioni false, rendendo essenziale una completa comprensione di entrambi.

La Sfida: Anisotropia Acustica nelle Microstrutture Duplex

La principale sfida nell'ispezione degli acciai duplex è la loro anisotropia acustica . Questo significa che la velocità delle onde sonore cambia a seconda della direzione in cui si propagano attraverso la struttura cristallina del materiale.

• Nei materiali isotropi (come gli acciai austenitici o ferritici standard), le onde sonore si propagano a una velocità costante in tutte le direzioni, rendendo l'interpretazione semplice.

• Nei materiali anisotropi (come gli acciai duplex e le saldature), il fascio sonoro può disperdersi, deviare e dividersi, causando:

  • Deviazione del Fascio: Il fascio sonoro potrebbe non viaggiare in linea retta, rendendo difficile localizzare con precisione un difetto.

  • Attenuazione: Perdita di intensità del segnale, che riduce la penetrazione e la capacità di individuare difetti piccoli o profondi.

  • Elevati livelli di rumore: La struttura complessa dei grani genera un alto livello di rumore di fondo, che può mascherare difetti reali.

Questa anisotropia è più pronunciata nel metallo saldato stesso, dove la struttura solidificata direttamente presenta grani grossolani e la sua entità è direttamente legata all'equilibrio tra ferrite e austenite.

Procedura di controllo ultrasonico: considerazioni chiave per gli acciai duplex

Per superare queste difficoltà, la procedura di controllo ultrasonico deve essere progettata e qualificata con estrema cura.

1. Scelta dell'attrezzatura e del trasduttore:

• Tecnica:  Difrangimento nel tempo di volo (TOFD) è molto efficace per saldature doppie poiché è meno sensibile alla deviazione del fascio e offre ottime capacità di misurazione per difetti piani. Il controllo ultrasonico a matrice di fase (PAUT) è anche superiore al controllo UT convenzionale grazie alla sua capacità di generare multipli angoli di fascio e fornire mappe visive dettagliate del volume della saldatura.

• Angoli: Utilizzare angoli rifratti inferiori (ad esempio, 45°) per migliorare il rapporto segnale-rumore. Le sonde standard a 60° o 70° possono subire distorsioni del fascio più significative.

• Frequenza: Una frequenza più bassa (ad esempio, 2 MHz) offre una migliore penetrazione ma una risoluzione inferiore. Una frequenza più alta (ad esempio, 4-5 MHz) offre una migliore risoluzione ma può subire un'attenuazione maggiore. È necessario trovare un equilibrio in base allo spessore del materiale.

2. Calibrazione e Blocchi di Riferimento:

• Pratica Essenziale: La calibrazione deve essere effettuata su un blocco di riferimento realizzato in la stessa qualità duplex e forma del prodotto (ad esempio, tubo, piastra) del componente da ispezionare.

• Perché è importante: L'utilizzo di un blocco di riferimento in acciaio al carbonio comporterà inaccurazioni significative poiché la velocità acustica è diversa. Il blocco duplex tiene conto della velocità reale del suono e dell'attenuazione nel materiale anisotropo.

3. Scansione e interpretazione dei dati:

• Gli operatori devono essere formati per distinguere tra:

  • Indicazioni geometriche: Riflessi dalla radice, dal cordone o dai contorni del saldatore.

  • Rumore microstrutturale: Il modello di fondo costante e punteggiato causato dalla struttura del grano.

  • Difetti reali: Indicazioni nette e distinte che si elevano chiaramente al di sopra del livello di rumore e possono essere tracciate attraverso diversi angoli di sonda.

Identificazione dello squilibrio microstrutturale tramite UT

Sebbene la misurazione quantitativa del bilancio delle fasi richieda tecniche di laboratorio metallografiche (ad esempio, analisi per punti), l'ispezione ultrasonica può fornire indicatori qualitativi significativi di un problema:

Nota Importante: Se l'UT suggerisce un'anomalia microstrutturale, questa deve essere confermata da test distruttivi (ad esempio, tagliare un coupon per l'analisi metallografica). L'UT è uno strumento di screening per la microstruttura, non una misurazione definitiva.

Difetti comuni delle saldature e le loro tracce nell'acciaio duplex

Migliori pratiche per ispezioni affidabili

1. Qualifica della Procedura: Qualificare la procedura di controllo ultrasonico (UT) su un modello che contiene difetti reali e rappresentativi (ad esempio, tagli con seghetto, intagli EDM) e aree con squilibrio microstrutturale noto.

2. Personale qualificato: Utilizzare esclusivamente tecnici UT di Livello II e III con esperienza specifica nell'ispezione di materiali anisotropi come l'acciaio inox duplex e le saldature.

3. Registrazione dei dati: Registrare tutti gli A-scan e, per PAUT/TOFD, intere scansioni settoriali. Questo consente analisi retrospettive e secondi pareri su indicazioni difficili da interpretare.

4. Correlazione con altre prove non distruttive (NDT): In caso di dubbi, correlare i risultati dell'ispezione ultrasonica con altri metodi. La prova con liquido penetrante (PT) è eccellente per rilevare difetti superficiali, mentre la prova radiografica (RT) può fornire una prospettiva diversa sui difetti volumetrici.

Conclusione

L'ispezione ultrasonica di saldature in acciaio inox duplex richiede un approccio diverso rispetto alla pratica standard. Il successo dipende dalla consapevolezza che la microstruttura del materiale non è soltanto una proprietà da misurare, ma una variabile fondamentale che influenza direttamente l'ispezione stessa. Utilizzando tecniche avanzate come la PAUT e la TOFD, effettuando la calibrazione su blocchi di riferimento rappresentativi e comprendo le firme acustiche sia dei difetti sia delle anomalie microstrutturali, gli ispettori possono garantire in modo affidabile l'integrità e le prestazioni di componenti critici in acciaio inox duplex.