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Articulo de referencia

Pruebas ultrasónicas

Ejemplo de prueba ultrasónica (UT) en la base de las palas de un motor de avión V2500 IAE . Paso 1 : La sonda UT se coloca en la base de las palas a inspeccionar con la ayuda de...

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Ejemplo de prueba ultrasónica (UT) en la base de las palas de un motor de avión V2500 IAE . Paso 1 : La sonda UT se coloca en la base de las palas a inspeccionar con la ayuda de un endoscopio especial (sonda de vídeo). Paso 2 : Se introducen los ajustes del instrumento. Paso 3 : La sonda recorre la base de la pala. En este caso, una indicación (pico en los datos) que cruza la línea roja (o compuerta) indica una pala en buen estado; una indicación a la izquierda de ese rango indica una grieta.
Principio de la prueba ultrasónica. IZQUIERDA: Una sonda emite una onda sonora hacia el material de prueba. Se producen dos señales: una debida al pulso inicial de la sonda y otra al eco de la pared posterior. DERECHA: Un defecto genera la tercera señal y, simultáneamente, reduce la amplitud de la señal de la pared posterior. La profundidad del defecto se determina mediante la relación D / E p .

Las pruebas ultrasónicas ( UT ) son una familia de técnicas de ensayo no destructivas basadas en la propagación de ondas ultrasónicas en el objeto o material analizado. En la mayoría de las aplicaciones de UT, se transmiten pulsos ultrasónicos muy cortos, con frecuencias centrales que oscilan entre 0,1 y 15 MHz, y ocasionalmente hasta 50 MHz, a los materiales para detectar defectos internos o para caracterizarlos. Un ejemplo común es la medición ultrasónica del espesor , que permite determinar el espesor del objeto de prueba, por ejemplo, para controlar la corrosión y la erosión de las tuberías. Las pruebas ultrasónicas se utilizan ampliamente para detectar defectos en soldaduras.

Las pruebas ultrasónicas se realizan frecuentemente en acero y otros metales y aleaciones, aunque también pueden utilizarse en hormigón , madera y materiales compuestos, si bien con menor resolución. Se emplean en numerosos sectores, como la construcción en acero y aluminio, la metalurgia, la fabricación, la industria aeroespacial , la automoción y otros sectores del transporte .

Historia

Los primeros intentos de utilizar pruebas ultrasónicas para detectar defectos en materiales sólidos se remontan a la década de 1930. [ 1 ] El 27 de mayo de 1940, el Dr. Floyd Firestone, investigador estadounidense de la Universidad de Michigan, solicitó una patente de invención para el primer método práctico de pruebas ultrasónicas. La patente se concedió el 21 de abril de 1942, con el número 2.280.226, titulada «Dispositivo de detección de defectos e instrumento de medición». Los extractos de los dos primeros párrafos de la patente para este método de ensayo no destructivo totalmente nuevo describen de forma concisa los fundamentos de dichas pruebas ultrasónicas. "Mi invención se refiere a un dispositivo para detectar la presencia de inhomogeneidades de densidad o elasticidad en materiales. Por ejemplo, si una pieza fundida presenta un orificio o una grieta, mi dispositivo permite detectar la presencia del defecto y localizar su posición, incluso si el defecto se encuentra completamente dentro de la pieza y ninguna parte sobresale de la superficie. ... El principio general de mi dispositivo consiste en enviar vibraciones de alta frecuencia a la pieza que se va a inspeccionar y determinar los intervalos de tiempo de llegada de las vibraciones directas y reflejadas a uno o más puntos de la superficie de la pieza."

James F. McNulty (ingeniero de radio estadounidense) de Automation Industries, Inc., entonces en El Segundo, California, uno de los primeros en mejorar las numerosas debilidades y limitaciones de este y otros métodos de ensayo no destructivos, enseña con mayor detalle sobre las pruebas ultrasónicas en su patente estadounidense 3,260,105 (solicitud presentada el 21 de diciembre de 1962, concedida el 12 de julio de 1966, titulada "Aparato y método de ensayo ultrasónico") que "Básicamente, las pruebas ultrasónicas se realizan aplicando a un transductor de cristal piezoeléctrico pulsos eléctricos periódicos de frecuencia ultrasónica. El cristal vibra a la frecuencia ultrasónica y está acoplado mecánicamente a la superficie de la muestra a ensayar. Este acoplamiento puede verse afectado por la inmersión tanto del transductor como de la muestra en un cuerpo de líquido o por el contacto real a través de una película delgada de líquido como el aceite. Las vibraciones ultrasónicas pasan a través de la muestra y se reflejan en cualquier discontinuidad que pueda encontrarse. Los pulsos de eco que se reflejan son recibidos por el mismo o mediante un transductor diferente y se convierten en señales eléctricas que indican la presencia del defecto." Para caracterizar las características microestructurales en las primeras etapas del daño por fatiga o fluencia, se deben emplear pruebas ultrasónicas no lineales más avanzadas. Estos métodos no lineales se basan en el hecho de que una onda ultrasónica intensa se distorsiona al encontrar microdaños en el material. [ 2 ] La intensidad de la distorsión se correlaciona con el nivel de daño. Esta intensidad se puede cuantificar mediante el parámetro de no linealidad acústica (β). β está relacionado con las amplitudes del primer y segundo armónico. Estas amplitudes se pueden medir mediante la descomposición armónica de la señal ultrasónica a través de la transformada rápida de Fourier o la transformada wavelet. [ 3 ]

Cómo funciona

En una obra de construcción, un técnico inspecciona una soldadura de tubería en busca de defectos utilizando un instrumento de ultrasonidos de matriz de fases . El escáner, que consta de una estructura con ruedas magnéticas, mantiene la sonda en contacto con la tubería mediante un resorte. La zona húmeda es el acoplante ultrasónico que permite que el sonido penetre en la pared de la tubería.
Ensayo no destructivo de un eje oscilante que muestra fisuras en las estrías.

En las pruebas ultrasónicas, un transductor de ultrasonido conectado a un equipo de diagnóstico se desplaza sobre el objeto que se inspecciona. El transductor suele estar separado del objeto de prueba por un acoplante [ 4 ] , como un gel, aceite o agua [ 1 ] , como en las pruebas de inmersión. Sin embargo, cuando las pruebas ultrasónicas se realizan con un transductor electromagnético acústico (EMAT), no se requiere el uso de acoplante.

Existen dos métodos para recibir la onda ultrasónica: reflexión y atenuación . En el modo de reflexión (o pulso-eco), el transductor emite y recibe las ondas pulsadas, ya que el sonido se refleja de vuelta al dispositivo. El ultrasonido reflejado proviene de una interfaz, como la pared posterior del objeto o una imperfección en su interior. El equipo de diagnóstico muestra estos resultados en forma de una señal cuya amplitud representa la intensidad de la reflexión y cuya distancia representa el tiempo de llegada de la misma. En el modo de atenuación (o transmisión directa), un transmisor envía ultrasonido a través de una superficie, y un receptor independiente detecta la cantidad que ha llegado a otra superficie tras viajar a través del medio. Las imperfecciones u otras condiciones en el espacio entre el transmisor y el receptor reducen la cantidad de sonido transmitido, revelando así su presencia. El uso de un acoplante aumenta la eficiencia del proceso al reducir las pérdidas de energía de la onda ultrasónica debidas a la separación entre las superficies.

Ejemplos

Fuentes: [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]

Un ejemplo del uso de ultrasonidos para determinar las propiedades de un material es la medición del tamaño de grano. A diferencia de las mediciones destructivas, los ultrasonidos ofrecen métodos no destructivos para medir el tamaño de grano con una eficiencia de detección aún mayor. La medición del tamaño de grano mediante ultrasonidos se puede lograr evaluando las velocidades ultrasónicas, la atenuación y la retrodispersión. Stanke, Kino y Weaver desarrollaron los fundamentos teóricos del modelo de atenuación por dispersión.

Con frecuencia constante, el coeficiente de atenuación de la dispersión depende principalmente del tamaño del grano; Zeng et al. descubrieron que en el niobio puro, la atenuación está linealmente correlacionada con el tamaño del grano a través de la dispersión en los límites de grano. [ 6 ] Este concepto de prueba ultrasónica puede utilizarse para determinar inversamente el tamaño del grano en el dominio del tiempo cuando se mide el coeficiente de atenuación de la dispersión a partir de datos de prueba, lo que proporciona una forma no destructiva de predecir las propiedades del material con instrumentos bastante sencillos.

Características

Ventajas

  1. Su alto poder de penetración permite detectar defectos en profundidad en la pieza. [ 1 ]
  2. Alta sensibilidad, que permite la detección de defectos extremadamente pequeños. [ 1 ]
  3. Mayor precisión que otros métodos no destructivos para determinar la profundidad de los defectos internos y el espesor de las piezas con superficies paralelas.
  4. Cierta capacidad para estimar el tamaño, la orientación, la forma y la naturaleza de los defectos.
  5. Cierta capacidad para estimar la estructura de aleaciones de componentes con diferentes propiedades acústicas.
  6. No representa ningún peligro para las operaciones ni para el personal cercano, y no tiene ningún efecto sobre los equipos y materiales que se encuentren en las proximidades.
  7. Capaz de funcionar de forma portátil, altamente automatizada o remota.
  8. Los resultados son inmediatos, lo que permite tomar decisiones sobre la marcha. [ 1 ]
  9. Solo necesita acceder a una superficie del producto que se está inspeccionando. [ 1 ]

Desventajas

  1. El funcionamiento manual requiere la atención minuciosa de técnicos experimentados. Los transductores alertan tanto sobre la estructura normal de algunos materiales como sobre anomalías tolerables de otras muestras (ambas denominadas "ruido") y sobre fallos lo suficientemente graves como para comprometer la integridad de la muestra. Un técnico cualificado debe distinguir estas señales, lo que posiblemente requiera el uso de otros métodos de ensayo no destructivos. [ 8 ]
  2. Se requieren amplios conocimientos técnicos para el desarrollo de procedimientos de inspección. [ 1 ]
  3. Un acabado superficial rugoso, una geometría irregular, piezas pequeñas, espesores reducidos o una composición de material no homogénea pueden dificultar las pruebas.
  4. La superficie debe prepararse limpiándola y eliminando la cascarilla suelta, la pintura, etc., aunque la pintura que esté bien adherida a la superficie puede que no necesite ser eliminada.
  5. Se necesitan acopladores para transferir eficazmente la energía de las ondas ultrasónicas entre los transductores y las piezas que se inspeccionan [ 1 ] a menos que se utilice una técnica sin contacto. Las técnicas sin contacto incluyen láser y transductores acústicos electromagnéticos ( EMAT ).
  6. El equipo puede ser costoso. [ 1 ]
  7. Requiere patrones de referencia y calibración. [ 1 ]

Estándares

Organización Internacional de Normalización (ISO)
  • ISO 2400: Ensayos no destructivos - Ensayos ultrasónicos - Especificación para el bloque de calibración n.º 1 (2012)
  • ISO 7963: Ensayos no destructivos — Ensayos ultrasónicos — Especificación para el bloque de calibración n.º 2 (2006)
  • ISO 10863: Ensayos no destructivos de soldaduras - Ensayos ultrasónicos - Uso de la técnica de difracción por tiempo de vuelo (TOFD) (2011)
  • ISO 11666: Ensayos no destructivos de soldaduras — Ensayos ultrasónicos — Niveles de aceptación (2010)
  • ISO 16809: Ensayos no destructivos - Medición de espesor por ultrasonidos (2012)
  • ISO 16831: Ensayos no destructivos - Ensayos ultrasónicos - Caracterización y verificación de equipos de medición de espesor por ultrasonidos (2012)
  • ISO 17640: Ensayos no destructivos de soldaduras - Ensayos ultrasónicos - Técnicas, niveles de ensayo y evaluación (2010)
  • ISO 22825, Ensayos no destructivos de soldaduras - Ensayos ultrasónicos - Ensayos de soldaduras en aceros austeníticos y aleaciones a base de níquel (2012)
  • ISO 5577: Ensayos no destructivos - Inspección ultrasónica - Vocabulario (2000)
Comité Europeo de Normalización (CEN)
  • EN 583, Ensayos no destructivos - Examen por ultrasonidos
  • EN 1330-4, Ensayos no destructivos - Terminología - Parte 4: Términos utilizados en ensayos ultrasónicos
  • EN 12668-1, Ensayos no destructivos - Caracterización y verificación de equipos de examen ultrasónico - Parte 1: Instrumentos
  • EN 12668-2, Ensayos no destructivos - Caracterización y verificación de equipos de examen ultrasónico - Parte 2: Sondas
  • EN 12668-3, Ensayos no destructivos - Caracterización y verificación de equipos de examen ultrasónico - Parte 3: Equipos combinados
  • EN 12680, Fundición - Examen por ultrasonidos
  • EN 14127, Ensayos no destructivos - Medición de espesor por ultrasonidos

(Nota: Parte de las normas CEN se aceptan en Alemania como DIN EN y en la República Checa como CSN EN).

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Detección no destructiva de defectos en componentes metálicos Revista Quality, número de agosto de 2015, páginas 31-32, por Dan DeVries
  2. ↑ Matlack, KH; Kim, J.-Y.; Jacobs, LJ; Qu, J. (2015-03-01). "Revisión de las técnicas de medición de generación de segundo armónico para la determinación del estado del material en metales" (PDF) . Journal of Nondestructive Evaluation . 34 (1): 273. doi : 10.1007/s10921-014-0273-5 . hdl : 20.500.11850/103909 . ISSN 0195-9298 . S2CID 39932362 .  
  3. ↑ Mostavi, Amir; Kamali, Negar; Tehrani, Niloofar; Chi, Sheng-Wei; Ozevin, Didem; Indacochea, J. Ernesto (2017). "Descomposición armónica basada en ondículas de la señal ultrasónica en la evaluación de la deformación plástica en aluminio" . Measurement . 106 : 66–78 . Bibcode : 2017Meas..106...66M . doi : 10.1016/j.measurement.2017.04.013 .
  4. ↑ https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/EquipmentTrans/Couplant.htm Couplant, Universidad Estatal de Iowa - Centro de Evaluación No Destructiva. Consultado el 1 de agosto de 2021.
  5. ↑ Liu, Yu; Tian, ​​Qiang; Guan, Xuefei (septiembre de 2021). "Estimación del tamaño de grano mediante atenuación de ultrasonido de matriz de fase". NDT & E International . 122 102479. doi : 10.1016/j.ndteint.2021.102479 . ISSN 0963-8695 . 
  6. 1 2 Zeng, Fei; Agnew, Sean R.; Raeisinia, Babak; Myneni, Ganapati R. (2010-03-31). "Atenuación ultrasónica debida a la dispersión en los límites de grano en niobio puro". Journal of Nondestructive Evaluation . 29 (2): 93– 103. doi : 10.1007/s10921-010-0068-2 . ISSN 0195-9298 . 
  7. ↑ Stanke, Fred E.; Kino, GS (1984-03-01). "Una teoría unificada para la propagación de ondas elásticas en materiales policristalinos". The Journal of the Acoustical Society of America . 75 (3): 665– 681. Bibcode : 1984ASAJ...75..665S . doi : 10.1121/1.390577 . ISSN 0001-4966 . 
  8. ↑ Patente estadounidense 3,260,105 para aparato y método de prueba ultrasónica de James F. McNulty en las líneas 37-48 y 60-72 de la columna 1 y líneas 1-4 de la columna 2.

Lecturas adicionales

  • Albert S. Birks, Robert E. Green, Jr., editores técnicos; Paul McIntire, editor. Pruebas ultrasónicas , 2.ª ed. Columbus, OH  : Sociedad Estadounidense de Ensayos No Destructivos , 1991. ISBN 0-931403-04-9.
  • Josef Krautkrämer, Herbert Krautkrämer. Ensayos ultrasónicos de materiales , 4.ª ed. revisada. Berlín; Nueva York: Springer-Verlag, 1990. ISBN 3-540-51231-4.
  • JC Drury. Detección de defectos por ultrasonidos para técnicos , 3.ª ed., Reino Unido: Silverwing Ltd. 2004. (Véase el capítulo 1 archivado el 17/10/2006 en Wayback Machine en línea (PDF, 61 kB)).
  • Manual de Ensayos No Destructivos, Tercera edición: Volumen 7, Ensayos Ultrasónicos. Columbus, OH: Sociedad Estadounidense de Ensayos No Destructivos.
  • Detección y localización de defectos en dispositivos electrónicos mediante microscopía ultrasónica de barrido y medición de la transformada wavelet, Volumen 31, Número 2, marzo de 2002, Páginas 77–91, L. Angrisani, L. Bechou, D. Dallet, P. Daponte, Y. Ousten
  • Charles Hellier (2003). «Capítulo 7 - Ensayos ultrasónicos». Manual de evaluación no destructiva . McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-028121-9.