Inspección Por Ultrasonidos: Fundamentos del Método PDF

1. Fundamento del método Los US son ondas mecánicas de la misma naturaleza que las ondas sonoras, pero con un campo de frecuencia por encima de la zona audible. Las frecuencias de trabajo suelen oscilan entre 1-25 MHz Pue...

1. Fundamento del método Los US son ondas mecánicas de la misma naturaleza que las ondas sonoras, pero con un campo de frecuencia por encima de la zona audible. Las frecuencias de trabajo suelen oscilan entre 1-25 MHz Pueden detectar discontinuidades internas en una amplia variedad de materiales metálicos y no metálicos con la particularidad de que en algunos casos solo necesitan acceso por un lado de la pieza. Tema 18: inspección por ultrasonidos 1  1. Fundamento del método Un cuerpo en equilibrio tiene todas sus partículas equilibradas por fuerzas elásticas 6 si un cuerpo exterior rompe el equilibrio, las partículas se moverán (amplitud de vibración grande 4 deformación permanente) amplitudes de vibración US muy inferiores a las necesarias para producir deformación permanente Tema 18: inspección por ultrasonidos 2  1. Fundamento del método Al aplicar una fuerza externa, las partículas superficiales comunicarán la energía recibida a las vecinas, éstas, a su vez, a las siguientes, produciéndose una propagación de la energía (con una oscilación que tendrá la misma frecuencia y amplitud que la presión ejercida desde el exterior). Las ondas mecánicas se propagan a través del material, pero sus partículas solo se desplazan una amplitud de oscilación en torno a una posición de equilibrio. A diferencia de las ondas EM que pueden propagarse en el vacío, los US necesitan un medio de propagación. Tema 18: inspección por ultrasonidos 3  1. Fundamentos del método Parámetros que definen una onda acústica o Longitud de onda (l, mm): distancia entre dos puntos que ejercen una misma presión. o Frecuencia (f, Hz): número de oscilaciones pud tiempo. Viene determinada por la frecuencia del palpador. o Período (T, s): inversa de la frecuencia. o Amplitud (A, m): desplazamiento de las partículas de su posición de equilibrio. o Velocidad de propagación (c, m/s): velocidad con que se efectúa la propagación de la presión a lo largo del medio. Depende del material de ensayo (diferentes materiales inspeccionados con la misma frecuencia, tienen longitudes de onda asociadas diferentes). c = l×f Tema 18: inspección por ultrasonidos 4  2. Modos de propagación de los US Clasificación de las ondas US desde el punto de vista de la relación entre la dirección de movimiento de las partículas en el material y la dirección de propagación del haz: q Onda longitudinal (de presión) q Onda transversal q Onda de superficie (de Rayleigh) q Onda de chapa (de Lamb) Tema 18: inspección por ultrasonidos 5  2. Modos de propagación de los US Clasificación de las ondas US desde el punto de vista de la relación entre la dirección de movimiento de las partículas en el material y la dirección de propagación del haz: q Onda longitudinal (de presión) Dirección de las oscilaciones en la dirección de propagación de la onda acústica, que avanza mediante efecto de compresión y expansión. Se propaga en sólidos, líquidos y gases, variando únicamente la velocidad de propagación que depende exclusivamente del medio. Ü Se emplean para detectar discontinuidades laminares y para la medida de espesores. Tema 18: inspección por ultrasonidos 6  2. Modos de propagación de los US Clasificación de las ondas US desde el punto de vista de la relación entre la dirección de movimiento de las partículas en el material y la dirección de propagación del haz: q Onda transversal La dirección de oscilación de las partículas individuales es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Las partículas oscilan produciendo una fuerza cortante que se transmite a los planos adyacentes, dando lugar a oscilaciones transversales. Sólo se propagan en medios que presenten resistencia a la cizalladura 4 cuerpos sólidos. Ü Se emplean para la inspección de discontinuidades con orientaciones no paralelas al espesor (soldaduras, tuberías, depósitos…). Tema 18: inspección por ultrasonidos 7  2. Modos de propagación de los US Clasificación de las ondas US desde el punto de vista de la relación entre la dirección de movimiento de las partículas en el material y la dirección de propagación del haz: q Onda de superficie (de Rayleigh) Se propaga solamente en la periferia plana o curva del sólido siguiendo las irregularidades de la superficie o contorno del mismo. Su velocidad de propagación, como en el caso de las ondas longitudinales y transversales, es independiente de la frecuencia y, por tanto, es una constante del material. q Onda de chapa (de Lamb) Se producen si el sólido es extremadamente delgado. Tema 18: inspección por ultrasonidos 8  3. Parámetros de propagación de los US q Velocidad acústica: velocidad a la que se propagan las ondas mecánicas por el material c = l× f 𝑃 q Impedancia acústica: oposición del material a la vibración de la onda 𝑍 = 𝑣 9 Presión acústica: fuerza por unidad de superficie normal que se produce en el medio como consecuencia de la propagación del frente de onda. q Intensidad acústica: energía transmitida a lo largo de la dirección de propagación por unidad de área en la unidad de tiempo. q Amplitud máxima de la oscilación: desplazamiento máximo de las partículas de su posición de equilibrio. q Comportamiento en superficies límite: la interacción depende de: el ángulo de incidencia (normal o angular) tamaño de la superficie geometría de la superficie rugosidad de la superficie Tema 18: inspección por ultrasonidos 9  3. Parámetros de propagación de los US Incidencia oblicua del haz onda incidente Cuando la onda incide bajo un determinado ángulo respecto a la normal en una superficie que onda reflejada limita dos medios, parte del haz es reflejado y parte transmitido al segundo medio produciéndose un fenómeno de refracción αi αr medio 1 6 medio 2 cambio en la dirección de propagación respecto a la dirección de incidencia αd onda refractada Los ángulos de incidencia, reflexión y refracción se pueden expresar en función de las velocidad de propagación del sonido en los medios 1 y 2, mediante la ley de Snell: 𝑠𝑒𝑛𝛼! 𝑠𝑒𝑛𝛼# 𝑠𝑒𝑛𝛼$ = = 𝛼! = 𝛼# 𝑐" 𝑐" 𝑐% Tema 18: inspección por ultrasonidos 10  3. Parámetros de propagación de los US Cambio de modos Cuando el haz de US incide sobre una superficie de separación de dos medios, también puede producirse un cambio de modos Una onda longitudinal puede transformarse en transversal, y viceversa. Tema 18: inspección por ultrasonidos 11 4. Componentes del sistema de inspección Las ondas US se introducen en el material a través de un palpador ” transfiere la vibración a los átomos o moléculas de la superficie del elemento, y éstos a su vez la comunican al interior donde sufren emisor / receptor de US fenómenos de reflexión, refracción, atenuación y difracción. Cuando la onda alcanza una heterogeneidad se produce una alteración en la propagación con respecto a lo esperado en un material homogéneo. El principio de detección de discontinuidades se basa en la diferencia de impedancias acústicas entre varios materiales (superficies límite) que implica que parte del haz acústico se refleje, transmita o refracte. Tema 18: inspección por ultrasonidos 12  5. Palpador Existen diferentes tipos, con distinto diámetros y frecuencias, adaptándose al control específico que se va a efectuar: palpadores de ángulo palpadores de contacto palpadores de inmersión transductores de delay line palpadores de dual element Tema 18: inspección por ultrasonidos 13  5. Palpador palpador normal palpador angular Tema 18: inspección por ultrasonidos 14  5. Palpador Palpadores angulares Se utilizan para la inspección de uniones soldadas. Llevan marcado en la carcasa, el ángulo de refracción de las ondas transversales en el acero. Se produce atenuación del sonido en la cuña (plexiglás) 4 conveniente usar cristales de titanato de bario cuya sensibilidad es elevada. Tema 18: inspección por ultrasonidos 15 Elemento generador / receptor de US. Consta de: 5. Palpador Adherido a la parte superior, produce amortiguación: o pequeña 4 impulso largo con espectro de frecuencias amortiguador de banda estrecha o grande 4 impulso corto con banda ancha. Los impulsos cortos ofrecen un gran poder de resolución pero menor sensibilidad acoplante acústico Sustancia que permite la transmisión de las oscilaciones US producidas por el cristal. Su finalidad es eliminar el aire. transductor Puede ser por contacto o por inmersión. El método usado en END son cristales piezoeléctricos que presentan dos fenómenos: o Efecto piezoeléctrico inverso: el cristal se deforma mecánicamente (~nm) al aplicar una ddp entre sus caras 4 cristal actuando como emisor o Efecto piezoeléctrico directo: se crea una ddp entre las caras del cristal al aplicar una deformación mecánica 4 cristal actuando como receptor Los cristales más utilizados son: titanato de bario, metabionato de plomo, sulfato de litio y cuarzo. Tema 18: inspección por ultrasonidos 16  5. Palpador Características q SENSIBILIDAD (4 rendimiento) Capacidad para detectar pequeñas discontinuidades. Cuanto menor sea la discontinuidad detectada, mayor será la sensibilidad del palpador. q PODER DE RESOLUCIÓN Capacidad del palpador para diferenciar ecos de fondo, cercanos uno del otro, de dos espesores distintos. Ê Los palpadores de titanato de bario poseen una elevada sensibilidad, junto con un poder resolutivo gran poder resolutivo razonablemente aceptable. reducido poder resolutivo Tema 18: inspección por ultrasonidos 17  5. Palpador Evaluación del poder de resolución Tema 18: inspección por ultrasonidos 18  6. Campo producido por un palpador en el interior del material La generación de US se realiza a través del palpador. La cara del cristal no vibra uniformemente 4 pequeños cristales vibrando en la misma dirección pero con un ligero desfase de un punto a otro. campo cercano campo lejano Debido a las diferentes distancias de cada uno de Los fenómenos de interferencia destructiva los cristales al eje, las ondas interceden y se pierden importancia, y la presión acústica sigue generan interferencias constructivas y los mismos cambios que la propagación de ondas destructivas que producen una serie de máximos planas. y mínimos de la presión acústica. La intensidad disminuye de forma regular debido Su intensidad varía irregularmente debido a la a la atenuación (por la dispersión y la absorción interacción de la onda sonora cerca del palpador del haz) y a la divergencia del haz. que hace poco viable la detección de discontinuidades próximas a la superficie. Tema 18: inspección por ultrasonidos 19  6. Campo producido por un palpador en el interior Atenuación del haz del material La energía del haz US se debilita al viajar por el material. Este fenómeno impone un límite 4 profundidad máxima que puede inspeccionarse. Es directamente proporcional a la frecuencia de inspección: frecuencia de inspección disminuye aumenta atenuación   atenuación máximo espesor inspeccionable  50  máximo espesor inspeccionable sensibilidad de la inspección  Encontrar una solución de compromiso Tema 18: inspección por ultrasonidos 20  6. Campo producido por un palpador en el interior Atenuación del haz del material Se debe principalmente a dos fenómenos, que hay que tener en cuenta en la inspección ya que repercutirán en la evaluación de posibles indicaciones. q Absorción del haz Conversión de energía de vibración en calor. Es directamente proporcional a la frecuencia pero en menor grado que la dispersión (frecuencia 4 atenuación). q Dispersión el haz Debida a la microestructura e inhomogeneidades del material, ya que van a tener diferentes impedancias acústicas que generan reflexiones locales y difracción. Es directamente proporcional a la frecuencia (frecuencia 4 atenuación). Tema 18: inspección por ultrasonidos 21  7. Probetas patrón y bloques de calibración Se utilizan para calibrar los equipos y sistemas de inspección, ya que las discontinuidades se comparan normalmente con una probeta patrón de referencia. Tienen varias formas y tamaños, pero deben ser representativas de los elementos a inspeccionar en cuanto a: material (debe tener la atenuación, tamaño de grano y TT adecuados), configuración geométrica, espesores, proceso de fabricación, acabado superficial y defectología. Las probetas patrón deben contener defectos artificiales con tamaños y localización representativos en función de los criterios de inspección, que dependen de la clase de aceptación de cada elemento. Tema 18: inspección por ultrasonidos 22  7. Probetas patrón y bloques de calibración Los bloques de calibración para propósitos generales contienen grietas, ranuras, taladros de fondo plano, cambios de espesor… Deben ser representativos de los materiales a inspeccionar. Generalmente la reflexión de los defectos naturales es menor que los defectos artificiales, debido a la rugosidad, orientación… Existen distintos tipos: o espesores o ASTM Pueden ser de área-amplitud y distancia-amplitud o IIW: para inspecciones con haces perpendiculares y angulares. Se usan para comprobar: o punto salida de palpadores angulares o ángulo del palpador o ángulo de divergencia del haz o base de tiempos Tema 18: inspección por ultrasonidos 23  8. Información previa a la inspección El operador de END debe informarse antes de comenzar el examen por US sobre: o tipo de material a examinar: conocer cómo es el tamaño de grano en las zonas adyacentes al cordón, que determinarán la frecuencia a emplear o espesor de la chapa: ayuda para la elección del ángulo y para conocer las distancias del salto y medio salto entre las cuales ha de desplazarse el palpador durante la ejecución del examen o diseño de junta: ayuda a interpretar los posibles defectos o proceso de soldeo utilizado: ayuda a determinar los defectos que se pueden encontrar con mayor probabilidad o existencia de TT en la soldadura: el TT puede originar cambios en la estructura metalúrgica del metal, que puede influir en la elección de la frecuencia del palpador o existencia de soportes o anillos de respaldo en el cordón de raíz: probable aparición de ecos por reflexiones en los anillos. Tendrá que tener en cuenta si el eco procede de la raíz o del anillo. Tema 18: inspección por ultrasonidos 24  9. Presentación en pantalla A-scan Representa la amplitud (% o dB) de una discontinuidad a través de un eco frente al tiempo. o Es una representación puntual 4 cada posición del palpador sobre la pieza a inspeccionar da lugar a una representación A-scan. La altura del eco puede compararse a la altura del pico de un reflecto de referencia conocido, para obtener información del tamaño relativo de la discontinuidad. o Se utiliza en equipos manuales o No deja registro de inspección (!) Tema 18: inspección por ultrasonidos 25  9. Presentación en pantalla B-scan o Se utilizan palpadores tipo array. o Utiliza la pantalla de un osciloscopio para representar linealmente una vista de la sección transversal del material. o La altura de los ecos de cada A-scan es codificado por medio de una escala de grises. o La imagen puede grabarse para evaluar la muestra posteriormente y para fotografiar la pantalla para obtener un registro permanente. o Útil para inspecciones manuales de grandes superficies. Tema 18: inspección por ultrasonidos 26  9. Presentación en pantalla C-scan Vista en planta similar a una radiografía. Indica la forma y localización de la discontinuidad y dependiendo del software del equipo, puede dar información sobre su profundidad. Requiere disponer de un sistema de inspección semiautomático o automático. Su interpretación es más intuitiva, da información sobre atenuación y profundidad. Tema 18: inspección por ultrasonidos 27  9. Presentación en pantalla Influencia de la orientación de los defectos Tema 18: inspección por ultrasonidos 28  9. Presentación en pantalla inclusiones gaseosas inclusiones no metálicas cavidades de contracción grietas, fisuras grietas concentración estructura esponjosa Tema 18: inspección por ultrasonidos 29  10. Procedimientos de ensayo Transmisión ¡! No aporta información sobre la posición de la discontinuidad y en muchos casos requiere una reinspección por pulso-eco para posicionar e identificar el tipo de discontinuidad. Debido a los requerimientos de alineación de los dos palpadores, se asocia a sistemas de inspección automáticos, generalmente a través de acoplamiento por inmersión completa o local. Tema 18: inspección por ultrasonidos 30  10. Procedimientos de ensayo Pulso-eco Cuando un impulso es introducido en un material homogéneo, este atravesará todo el material hasta llegar a la superficie opuesta, donde existe una interfase (pieza-aire). Si la pieza tiene una discontinuidad, al tener esta una impedancia acústica distinta, constituye una interfase y el impulso es reflejado. Tema 18: inspección por ultrasonidos 31  10. Procedimientos de ensayo Pulso-eco eco de emisión eco de eco de fondo defecto Además de detectar discontinuidades, permite posicionarlas. Se aplica en inspecciones manuales, a través de ¡! Necesidad de perpendicularidad pieza- contacto e inspecciones semi y automáticas palpador. Mayor atenuación mediante inmersión parcial o completa. de la señal en comparación Requiere un solo palpador 4 acceso por una sola con la técnica de cara de la pieza. transmisión. Tema 18: inspección por ultrasonidos 32  10. Procedimientos de ensayo Pulso-eco Tema 18: inspección por ultrasonidos 33  VENTAJAS LIMITACIONES ü El método más versátil de todos. û Necesita un medio de acoplamiento entre la pieza a inspeccionar y el palpador. ü Detecta y posiciona heterogeneidades con diferentes orientaciones y en el interior de la û Puede presentar complicaciones en pieza (método volumétrico). geometrías complicadas, piezas pequeñas en espesor (finas) y rugosidad elevada. ü Posee una elevada sensibilidad (del orden λ). û Discontinuidades muy próximas a la ü Solo es necesaria una cara en muchos casos. superficie pueden no ser identificadas. ü La información obtenida en el ensayo es û Precisan el uso de probetas patrón. instantánea y permite ser procesada por técnicas digitales. û Presentan máxima sensibilidad cuando el haz US es perpendicular a la discontinuidad. ü Admite la implantación de sistemas automáticos de inspección para aumentar la velocidad de inspección y reducir tiempos. ü Permite realizar inspecciones en servicio gracias a la portabilidad de los equipos. ü Aplicable a todo tipo de materiales: metales, plásticos y cerámicos. ü Además se emplea en metrología (medida de espesores) y caracterización de materiales (determinación de E). 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