Ultrasuoni generati da diodo laser: monitoraggio non distruttivo di componenti meccanici

Il lavoro descrive il processo di messa a punto di una metodologia d’ispezione non distruttiva di componenti meccanici, basata sull’eccitazione non a contatto di ultrasuoni (US) tramite diodi laser modulabili. Il fenomeno fisico a cui tale eccitazione risulta riconducibile è denominato “fotoacustica”: un riscaldamento localizzato del materiale a partire da impulsi luminosi ed il suo successivo raffreddamento comportano la sua dilatazione e contrazione, con conseguente propagazione di onde elastiche nel componente. Poiché il diodo laser rappresenta una tecnologia non convenzionale di eccitazione ultrasonora, requisito fondamentale è comprendere il fenomeno della fotoacustica nel suo complesso al fine di ottimizzare il sistema d’ispezione. L’indagine ha dapprima coinvolto alcuni provini, per essere successivamente traslata verso componenti meccanici e, nello specifico, assili ferroviari; per l’assile, un’ispezione di tipo contactless risulta particolarmente desiderabile, in quanto permette di ispezionare il componente mentre si trova in rotazione, durante l’esercizio. Nondimeno, l’impiego di diodi laser in luogo di soluzioni come i laser impulsati apre le porte alla creazione di un layout d’ispezione non a contatto a basso costo, adatto all’applicazione su vasta scala. La prima fase del progetto di ricerca ha coinvolto lo studio e la messa a punto di un sistema per la rilevazione di onde sulla base dei risultati di una preliminare campagna di prove: impiegando una sonda piezoelettrica a banda larga a contatto, sono stati identificati US di tipo longitudinale e superficiale propaganti in provini ed eccitati tramite diodo da 0.15 W. L’analisi ha permesso di compiere passi in avanti rispetto alla letteratura tecnica in termini di qualità del segnale ultrasonoro rilevato; parametro di particolare rilevanza è la durata (delta) dell’impulso laser impiegato, che influenza direttamente sia il rapporto segnale-rumore (signal-to-noise ratio, S/N ) che la frequenza centrale f0 delle oscillazioni ultrasonore. L’uso di una sorgente dalla maggior potenza (5W) ha permesso di spingere l’applicazione del sistema d’ispezione ad un ambito dal maggior interesse ingegneristico, inerente all’eccitazione di US in componenti meccanici completi come gli assili ferroviari. Stante la maggior criticità delle cricche sulla superficie in conseguenza del momento flettente rotante cui l’assile è continuativamente sottoposto, la campagna sperimentale ha mirato alla rilevazione di tali difettosità tramite onde di tipo superficiale: è stato determinato come una cricca profonda 3 mm sul corpo dell’assile comporti una riduzione del 65% nel valore di S/N, eccitando US con frequenza centrale di 200 kHz. Analoghe considerazioni possono essere estese a cricche posizionate sui raggi di raccordo, in corrispondenza dei quali si vengono sovente a concentrare le tensioni massime. Una successiva sperimentazione tramite sonde non a contatto a banda stretta ha fatto emergere l’impossibilità di rilevare ultrasuoni, richiedendo un’ulteriore messa a punto del sistema d’indagine per concentrare maggiormente la banda dell’US attorno alla frequenza centrale della sonda stessa. Avvalendosi del fenomeno fisico di doppia eccitazione di US tramite un singolo impulso laser (il primo quando ha luogo il riscaldamento, il secondo all’atto del raffreddamento), è stato proposto l’impiego di una sequenza in input al diodo costituita da impulsi dalla medesima delta e relativamente distanziati nel tempo di 2(delta). Tale soluzione permette di concentrare la banda intorno a f0=1/(2(delta)), con un’amplificazione controllata del segnale fino al 210% rispetto al caso di singolo impulso. Nonostante gli ulteriori sforzi profusi nell’ottimizzazione della ricezione, non è stato possibile evidenziare la presenza di US tramite sonde non a contatto. Conseguentemente, il lavoro si conclude con la proposta di metodologie alternative per la rilevazione non a contatto degli US eccitati da diodo: requisito fondamentale per tali alternative è un prezzo limitato tale da non confliggere con uno degli obiettivi del progetto, ovvero la messa a punto di un sistema d’ispezione dal basso costo complessivo. Preme tuttavia sottolineare come la metodologia di eccitazione sviluppata per la rilevazione a contatto di US propaganti in componenti meccanici risulti estremamente performante: la ricerca ha dunque raggiunto il principale scopo previsto di comprendere il complesso fenomeno di eccitazione di US tramite diodo laser, illustrandone le prestazioni effettive in una concreta applicazione ingegneristica ed andando ad arricchire quanto disponibile allo stato dell’arte.