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Sommario

Il sistema Eddy Current Array consonda multi-elemento è stato acquisitoda Alcatel Alenia Space Italia nel 1999per l’ispezione della superficie delle sal-dature Plasma, in lega di alluminio, deimoduli spaziali pressurizzati.L’obiettivo iniziale era di qualificareun metodo ispettivo, alternativo ai li-quidi penetranti, in grado di ridurre itempi di preparazione e ispezionedelle superfici della saldatura.Prima di introdurre il sistema nelflusso produttivo è stata eseguita unacampagna di test per la qualifica delsistema stesso.Il sistema Eddy Current Array è stato,negli anni, aggiornato, migliorato ereso più flessibile col fine di applicar-lo ad altre tipologie di prodotti salda-ti (es. serbatoio saldato per FrictionStir Welding e saldature in lega di ti-tanio) di varie dimensioni e formepassando da un’ applicazione pretta-mente di “manufacturing” ad ispezio-ni “in service”.

Sistema Eddy Current Array

La tecnologia array consente di ge-stire una serie di bobine, opportuna-mente collegate e funzionanti inmodo sequenziale, connesse ad unostrumento Eddy Current multi-ca-nale. I segnali acquisiti dalle bobinee abbinati alla posizione della stessa,tramite un encoder, sono rappresen-tati sottoforma di mappa C-Scan (vi-sta in pianta della superficie ispezio-nata).

Il sistema Eddy Current Array (ECA)acquisito nel 1999 da Alcatel AleniaSpace Italia era composto da:• strumento Eddy Current R/D TechTC 5700 multi-frequenza e multi-canale in grado di gestire fino a 48canali sequenziali oppure 8 canalisingoli

• sonda multi-elemento• software di gestione, analisi e archi-viazione dati

• sistema di movimentazione e posi-zionamento sonda.

Strumento Eddy CurrentIl TC5700 R/D TECH è uno stru-mento multi-frequenza (fino ad 8) emulti-canale in grado di gestire fino a48 canali sequenziali (mediante mul-tiplexer esterno) oppure 8 canali indi-pendenti. Il range di frequenza di uti-lizzo varia da 1 kHz a 4 MHz.

Sonda multi-elementoL’ispezione di un cordone di saldatu-ra è eseguita con una sonda multi-ele-mento (Fig. 1) costituita da 24 bobinedi tipo assolute opportunamente col-legate e funzionanti in modo sequen-ziale sfruttando solo 4 canali dellostrumento. Dalle combinazioni delle24 bobine si ottengono 12 combina-zioni di bobine definite assiali, utiliper rilevare eventuali difetti postiparallelamente al cordone di saldatu-ra, e 10 combinazioni di bobine per-pendicolari utili per rilevare difettiposti trasversalmente al cordone disaldatura. Le combinazioni di en-trambe rilevano difetti posti a 45°.

Eddy Current Array: evoluzione del sistemaper l’ispezione di saldature nel campo aerospaziale

A. Camassa, U. PiazzaAlcatel Alenia Space Italia - Torino

The Eddy Current Array system with multi-elements probe has been acquired byAlcatel Alenia Space Italia in 1999 for the surface inspection of Plasma weldings(VPPA), in aluminium alloy, belong to pressurized space modules.The initial target was to qualify the inspection method, in alternative to dye pene-trant, able to reduce the preparation and inspection times of welding surfaces.Before the system application in the manufacturing flow, several tests have been per-formed in order to qualify the system itself.The Eddy Current Array system has been upgraded, improved and made more fle-xible with the aim of its application on other welded products with different shapes(e.g. Friction Stir Welding tank and titanium alloy welds). Its use started from a“manufacturing” use and it has become also an “in service” application.

Fig. 1 - Sonda multi-elemento 24 bobine

Fig. 2 - Sonda - Schema di funzionamento

Aerospaziale

Keywords: eddy current, friction stir welding, aerospace

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Prendendo come esempio la configu-razione in fig. 2 la bobina singola sicomporta alternativamente comeemettitore e ricevitore e va ad intera-gire con la bobina di fianco ed in bas-so. In questo modo con la combina-zione 1-2 è possibile rilevare difettiperpendicolari alla saldatura mentrecon la combinazione 1-3 è possibilerilevare difetti paralleli alla saldatura.Il diametro di ingombro della singolabobina è di circa 3 mm mentre il cam-po di lavoro della sonda è di circa 16mm assialmente e 14 mm trasversal-mente. La frequenza di lavoro è di800 kHz.

Software MULTVIEWIl software MULTIVIEW permettedi gestire e modificare i parametridello strumento Eddy Current, archi-viare ed analizzare i dati acquisiti an-che in tempi successivi.

Di fatto alla fine della scansione ilsoftware MULTIVIEW costruiscequattro C-SCAN definiti “axial V”,“axial H”, “perp V” e “perp H” relati-vi alla componente del segnale utiliz-zato ed al tipo di bobine utilizzate perla costruzione del C-SCAN stesso(Fig. 3). Il segnale relativo ad ognisingola combinazione di bobine vienesalvato e può essere analizzato succes-sivamente.

Sistema di movimentazione e posizionamento sondaIl sistema di movimentazione permet-te di spostare la sonda sulla superficiedella zona da ispezionare. E’ costitui-to da una serie di attrezzature che va-riano in funzione della configurazioneoggetto dell’ispezione. Nel caso di sal-

dature longitudinali prevede l’utilizzodi una guida motorizzata sulla quale èagganciato un portasonda contenentela sonda stessa. Questa guida meccani-ca viene montata su una barra che vie-ne agganciata ai capi del tratto di sal-datura da ispezionare (Fig. 4). Nel ca-so di saldature circonferenziali cono ilportasonda viene montato su un car-rello motorizzato mentre la saldaturaviene posta in rotazione.

Ispezione saldatura plasma AL2219

Modulo pressurizzatoI moduli pressurizzati (fig. 5) sono ot-tenuti assemblando differenti partico-lari (anelli forgiati, pannelli rinforzati)mediante saldatura Plasma (VPPA) se-condo le configurazioni longitudinale,radiale e circonferenziale per una lun-ghezza media totale di circa 100 mispezionati al 100% da ambo i lati.

Le caratteristiche principali dellastruttura primaria sono:• materiale Al 2219 T851• diametro ~4200 mm• lunghezza ~10000 mm• spessore saldatura 7 mm

Le caratteristiche geometriche delcordone di saldatura, dopo l’operazio-ne di rasatura, sono riportate in fig. 6;nella zona da ispezionare è compresa lazona termicamente alterata.Le cricche superficiali sono i princi-pali difetti che devono essere rilevati.Questa tipologia di difetto può essereriscontrato durante la prima ispezione(saldatura automatica Plasma) o dopol’operazione di riparazione manuale(saldatura TIG) e possono essere lo-calizzate in differenti posizioni rispet-to all’asse longitudinale di saldatura.

Qualifica del sistema ECAPrima di applicare il sistema ECA perl’ispezione delle strutture primarie dimoduli pressurizzati, è stata eseguitauna campagna di test col fine di di-mostrare la capacità del sistema di ri-levare difetti superficiali diversamen-

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Fig. 3 - Mappa C-Scan

Fig. 6 - Geometria della saldatura

Fig. 5 - Modulo saldato pressurizzato

Fig. 4 - Sistema di movimentazione sonda

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te orientati e posizionati nella zona daispezionare (cordone di saldatura ezona termicamente alterata).I test sono stati strutturati nel seguen-te modo:• rilevamento difetti artificiali;• rilevamento cricche di fatica;• rilevamento cricche naturali;• rilevamento difetti artificiali inseritiin campioni affetti da “mismatch”(disallineamento dei lembi).

Rilevamento difetti artificialiIn una serie di campioni, simili percaratteristiche geometriche e chimi-co-fisiche ai particolari reali, sonostati inseriti, per elettroerosione, deidifetti artificiali (Fig. 7). Ogni cam-pione è stato serializzato e per ognidifetto artificiale è stato fatto un calcoper determinarne le reali dimensioni.Questi stessi campioni sono stati uti-lizzati per la taratura del sistema, all’i-nizio e alla fine di ogni ispezione, eper la valutazione di eventuali difetto-logie.Tutti i difetti artificiali sono stati rile-vati con un rapporto segnale/rumoremaggiore di 3:1.

Rilevamento cricche di faticaPer verificare la sensibilità e l’affida-bilità del sistema, sono stati prodottidiversi campioni contenenti cricchedi fatica di diverse dimensioni, orien-tamenti e posizioni. Attraverso l’in-troduzione di piccoli intagli semiellit-tici in campioni che successivamentesono stati sottoposti a cicli di faticasono state generate delle cricche difatica. Parte di questi campioni sonostati utilizzati per la calibrazione delsistema mentre i restanti sono stati di-strutti in modo da documentare lareale lunghezza e profondità dellacricca e comparare il risultato con ilsegnale eddy current.

Le profondità delle cricche ottenutevariano da un minimo di 0,4 mm adun massimo di 0,95. Il sistema eddycurrent è stato in grado di rilevarlesempre con un rapporto segnale/ru-more di 3:1 (vedere figure 8-9).

Rilevamento cricche naturaliPer rimuovere eventuali difettologierilevate dai controlli non distruttivivengono eseguite localmente delle ri-parazioni manuali con tecnica TIG.Per simulare difetti tipici della ripara-zione è stata preparato un campionecontenente difetti superficiali ed in-terni. Questo campione è stato sotto-posto a controllo radiografico ed eddycurrent. Il campione così ottenutocontiene delle cricche che si sviluppa-no in modo casuale con differentiorientamenti.

Il sistema ECA ha rilevato il principa-le orientamento della cricca; inoltreha mostrato una buona risoluzionenell’identificare cricche più piccoleposte in prossimità di quelle maggio-ri (vedere figure 10-11).

Rilevamento difetti artificiali inseriti in campioni affetti da “mismatch”Uno dei principali problemi riscon-trati nell’applicazione del sistemaECA in produzione è la presenza di“mismatch” nella saldatura. Il “mi-smatch” (massimo consentito 0,8mm) genera una situazione di allonta-namento di alcune bobine dalla su-perficie della sonda (lift-off) con con-seguente perdita di sensibilità locale.

Fig. 8 - C-Scan - Cricca di fatica Fig. 10 - Macrografia - Cricca naturale Fig. 12 - Macrografia - “mismatch”

Fig. 9 - Macrografia - Cricca naturale difatica

Fig. 11 - C-Scan - Cricca naturale

Fig. 7 - Schema di posizionamento difetti artificiali

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Per questo motivo è stato costruitoun campione affetto da “mismatch”contenente tre difetti artificiali diver-samente orientati. Anche in questo caso i difetti artificia-li sono stati rilevati, aumentandol’amplificazione, con un rapporto se-gnale rumore maggiore di 3:1 (vederefigure 12-13).

Limitazioni del sistema ECAL’applicazione del sistema ECA suiparticolari di produzione ha eviden-ziato le seguenti limitazioni:• necessità di eseguire due scansioniparallele per ogni tratto di saldaturain quanto il campo di lavoro dellasonda non permette di ricopriretutta la zona da ispezionare;

• riduzione della sensibilità di ispe-zione in condizioni di elevato “mi-smatch”;

• difficoltà di posizionamento dellemeccaniche portasonda;

• impossibilità di ispezionare le salda-ture circonferenziali cilindro inquanto la meccanica portasonda nonpossedeva l’opportuna rigidezza.

Evoluzione del sistema ECA

Il sistema ECA è stato migliorato mo-dificando la sonda multi-elemento edil sistema di scansione. Questo hapermesso di superare le limitazioni ri-scontrate con il vecchio sistema e direnderlo piu flessibile per l’applica-zione su differenti configurazioni disaldatura.

Nuova sonda multielementoLa sonda multi-elemento di nuovagenerazione è costituita da 42 bobinedi tipo assoluto opportunamente col-legate e funzionanti in modo sequen-

ziale sfruttando gli 8 canali dello stru-mento. Dalle combinazioni delle 42bobine si ottengono 21 combinazionidi bobine definite assiali, utili per ri-levare difetti posti parallelamente alcordone di saldatura, e 18 combina-zioni di bobine perpendicolari utiliper rilevare difetti posti trasversal-mente al cordone di saldatura. Lecombinazioni di entrambe rilevanodifetti posti a 45°. Il campo di lavorodella sonda è di circa 25 mm sia as-sialmente che trasversalmente. Lafrequenza di lavoro è di 800 kHz. Lebobine sono annegate in un supportoflessibile che si adatta alla superficieda ispezionare in modo da ridurrel’effetto di allontanamento delle bo-bine dalla superficie stessa (fig. 14) inconseguenza di variazioni geometri-che del giunto.Anche la nuova sonda, prima di esse-re utilizzata su strutture “di volo”, èstata qualificata.

Sistema di movimentazione sondaAl posto del vecchio sistema di movi-mentazione è stato realizzato un“mouse” con encoder in grado diospitare le due tipologie di sonda (fig.15). Lo spostamento del “mouse” av-viene manualmente rendendo l’ope-razione di ispezione più semplice eflessibile in funzione delle diverse ti-pologie di saldatura.

Per assicurare il centraggio della son-da durante lo spostamento è stata co-struita una serie di guide in materialeplastico che seguono la geometriadella saldatura da ispezionare. Il posi-zionamento della guida è assicuratoda una serie di ventose collegate aduna pompa che genera il vuoto al lorointerno (fig. 16).

Applicazione del sistema ECA sul prodotto finale

Attualmente il sistema ECA è utiliz-zato per l’ispezione di tutte le tipolo-gie di saldatura Plasma in lega di allu-minio (radiali, longitudinali, circonfe-renziali). La nuova sonda consente dieseguire l’ispezione di un tratto di sal-datura con una sola passata mentre leguide meccaniche sono semplici e fa-cili da montare (fig. 18). In alcuni ca-si (fig. 17) il particolare da ispeziona-re presenta delle guide naturali(esempio alette, anelli) che possono

Fig. 13 - C-Scan - Difetto artificiale

Fig. 15 - Mouse con encoder

Fig. 17 - Guida naturale

Fig. 16 - Sistema di guida del mouse

Fig. 14 - Sonda multi-elemento 42 bobine

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essere sfruttate per la scansione. Lavelocità di scansione non deve esseretroppo elevata per evitare di perdereinformazioni utili dell’ ispezione.

Analisi delle scansioni e risultati delle ispezioniAlla fine di ogni ispezione le informa-zioni acquisite vengono analizzate esuccessivamente archiviate. Ogni ac-quisizione corrisponde ad un tratto disaldatura di circa di 500 mm. L’anali-si prevede inizialmente di verificareche durante la scansione le bobinenon si siano allontanate eccessiva-mente dalla superficie e successiva-mente di visualizzare, con un ingran-dimento opportuno, i C-Scan relativialle diverse rappresentazioni dei se-gnali eddy current.

Eventuali indicazioni riscontrate sullemappe C-Scan sono soggette ad unaispezione supplementare, mediantesonda puntiforme, allo scopo di de-terminarne la natura, posizione eorientamento dell’anomalia rilevata.

Nella Fig. 19 è rappresentata la map-pa di un difetto rilevato durante l’i-spezione di una saldatura circonfe-renziale. In basso è riportata la fotodel difetto dopo l’applicazione di unliquido penetrante.

Altre applicazioni

L’evoluzione del sistema ECA ha resopossibile la sua applicazione anche “inservice” quindi su strutture pressuriz-zate che hanno compiuto delle mis-sioni. Per le caratteristiche stesse del-la metodologia eddy current è statopossibile reispezionare delle saldatureprotette con un primer dove non sa-rebbe stato possibile applicare la me-todologia dei liquidi penetranti salvorimuovendo il primer stesso.

Il sistema ECA trova anche la sua ap-plicazione per ispezionare giunti sal-dati mediante altre tecniche quali adesempio Friction Stir Welding su le-ghe di alluminio (2219, 2195, 7050)in abbinamento al controllo volume-trico dei giunti eseguito mediante latecnica ultrasonora Phased Array(fig. 20).

Future applicazioni

Un’ulteriore applicazione della tec-nologia ECA è attualmente indirizza-ta per l’ispezione di saldature TIG inlega di titanio (materiale Ti6Al4V).Questo tipo di saldatura viene utiliz-zato su serbatoi di propellente che,per la loro stessa configurazione, pre-sentano una o più saldature non ac-cessibili sul lato interno e quindi nonispezionabili mediante liquidi pene-tranti.Lo sviluppo delle sonde dedicate per

ogni specifica applicazione, in termi-ni di: design delle bobine, supportodelle bobine, frequenza di ispezione,viene fatto attraverso l’ispezione diprovini saldati contenenti intagli,eseguiti per elettroerosione, con di-mensioni prossime al difetto criticoammissibile.Come per l’applicazione sulla legaleggera, l’ispezione verrà qualificatamediante la dimostrazione della sen-sibilità del metodo su campioni con-tenenti difetti di diversa natura (natu-rali ed artificiali).

Conclusioni

L’obiettivo iniziale, di creare un’ap-plicazione alternativa al metodo liqui-di penetranti per l’ispezione di salda-ture in lega leggera, è stato ampia-mente raggiunto. Inoltre la successivaevoluzione del sistema ECA ha porta-to notevoli miglioramenti in terminidi versatilità, sensibilità ed applicabi-lità; in particolare:• riduzione dei tempi di controllo at-traverso l’utilizzo di sonde con unnumero maggiore di bobine (ridu-zione del numero di scansioni);

• aumento della sensibilità di ispezio-ne mediante sonde con supportoflessibile (superamento del proble-ma in caso di geometrie variabili);

• applicazioni diverse quali ispezionisu saldature FSW;

• applicazioni “in service” su partico-lari verniciati;

• ispezioni su configurazioni di geo-metrie complesse.

Relazione presentata alla Giornata diFormazione e Aggiornamento “Applica-zioni di tecniche PnD non convenzionali”.Genova: 30 Novembre 2006Manifestazione organizzata dal-l’AIPnD in sinergia con IIS

Fig. 20 - Applicazione FSW

Fig. 19 - C-Scan e difetto reale

Fig. 18 - Guida meccanica

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