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Prueba de ultrasonido

Un ejemplo de prueba ultrasónica (UT) en raíces de palas de un motor de avión V2500 IAE . Paso 1 : La sonda UT se coloca en la raíz de las palas que se van a inspeccionar con la ayuda de una herramienta boroscopio especial (sonda de video). Paso 2 : Se ingresan los ajustes del instrumento. Paso 3 : Se escanea la sonda sobre la raíz de la pala. En este caso, una indicación (pico en los datos) a través de la línea roja (o puerta) indica un blade en buen estado; una indicación a la izquierda de ese rango indica una grieta.


Principio de las pruebas ultrasónicas. IZQUIERDA: Una sonda envía una onda sonora a un material de prueba. Hay dos indicaciones, una por el pulso inicial de la sonda y la segunda por el eco de la pared posterior. DERECHA: Un defecto crea la tercera indicación y simultáneamente reduce la amplitud de la indicación de la pared posterior. La profundidad del defecto está determinada por la relación D / E p

Las pruebas ultrasónicas ( UT ) son una familia de técnicas de prueba no destructivas basadas en la propagación de ondas ultrasónicas en el objeto o material probado. En las aplicaciones de UT más comunes, se transmiten ondas de pulso ultrasónico muy cortas con frecuencias centrales que oscilan entre 0,1 y 15 MHz y, ocasionalmente, hasta 50 MHz, a los materiales para detectar defectos internos o caracterizar materiales. Un ejemplo común es la medición de espesor por ultrasonidos , que prueba el espesor del objeto de prueba, por ejemplo, para monitorear la corrosión y erosión de las tuberías. Las pruebas ultrasónicas se utilizan ampliamente para detectar fallas en las soldaduras.

Las pruebas ultrasónicas se realizan a menudo en acero y otros metales y aleaciones, aunque también se pueden utilizar en hormigón , madera y compuestos, aunque con menos resolución. Se utiliza en muchas industrias, incluidas la construcción de acero y aluminio, la metalurgia, la manufactura, la aeroespacial , la automoción y otros sectores del transporte .

Historia

Los primeros intentos de utilizar pruebas ultrasónicas para detectar fallas en materiales sólidos ocurrieron en la década de 1930. [1] El 27 de mayo de 1940, el investigador estadounidense Dr. Floyd Firestone de la Universidad de Michigan solicita una patente de invención estadounidense para el primer método práctico de prueba ultrasónica. La patente se concedió el 21 de abril de 1942 como patente estadounidense nº 2.280.226, titulada "Dispositivo de detección de defectos e instrumento de medición". Extractos de los dos primeros párrafos de la patente de este método de prueba no destructivo completamente nuevo describen de manera sucinta los conceptos básicos de dicha prueba ultrasónica. "Mi invención se refiere a un dispositivo para detectar la presencia de faltas de homogeneidad de densidad o elasticidad en materiales. Por ejemplo, si una pieza fundida tiene un agujero o una grieta en su interior, mi dispositivo permite detectar la presencia del defecto y localizar su posición. , aunque el defecto se encuentra enteramente dentro de la pieza fundida y ninguna porción de ella se extiende a la superficie... El principio general de mi dispositivo consiste en enviar vibraciones de alta frecuencia a la pieza a inspeccionar y determinar los intervalos de tiempo. la llegada de las vibraciones directas y reflejadas a una o más estaciones 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 muchas debilidades y límites de este y otros métodos de prueba no destructivos, enseña con más detalle sobre las pruebas ultrasónicas en su Patente de EE.UU. 3.260.105 (solicitud presentada el 21 de diciembre de 1962, concedida el 12 de julio de 1966, titulada “Aparato y método de prueba ultrasónica”) que “Básicamente, la prueba ultrasónica se realiza 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 efectuarse por inmersión tanto del transductor como de la muestra en una masa de líquido o por contacto real a través de una fina película de líquido como el aceite. Las vibraciones ultrasónicas atraviesan la muestra y se reflejan en cualquier discontinuidad que pueda encontrarse. Los pulsos de eco que se reflejan son recibidos por el mismo transductor o por otro diferente y se convierten en señales eléctricas que indican la presencia del defecto”. Para caracterizar las características microestructurales en las primeras etapas de fatiga o daño por fluencia, se deben emplear pruebas ultrasónicas no lineales más avanzadas. Estos métodos no lineales se basan en el hecho de que una intensa onda ultrasónica se distorsiona al enfrentarse a microdaños en el material. [2] La intensidad de la distorsión se correlaciona con el nivel de daño. Esta intensidad puede cuantificarse 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 descomposición armónica de la señal ultrasónica mediante una transformación rápida de Fourier o una transformación wavelet. [3]

Cómo funciona

En un sitio de construcción, un técnico prueba una soldadura de tubería para detectar defectos utilizando un instrumento ultrasónico de matriz en fase . El escáner, que consta de un marco con ruedas magnéticas, mantiene la sonda en contacto con la tubería mediante un resorte. El área húmeda es el acoplador ultrasónico que permite que el sonido pase a la pared de la tubería.
Ensayo no destructivo de un eje oscilante que muestra grietas estriadas

En las pruebas ultrasónicas, se pasa un transductor de ultrasonido conectado a una máquina de diagnóstico sobre el objeto que se inspecciona. El transductor normalmente está separado del objeto de prueba mediante un acoplador [4] como un gel, aceite o agua, [1] como en las pruebas de inmersión. Sin embargo, cuando se realizan pruebas ultrasónicas con un transductor acústico electromagnético (EMAT), no se requiere el uso de acoplador.

Hay dos métodos para recibir la forma de onda del ultrasonido: reflexión y atenuación . En el modo de reflexión (o pulso-eco), el transductor realiza tanto el envío como la recepción de las ondas pulsadas a medida que el "sonido" se refleja de regreso al dispositivo. El ultrasonido reflejado proviene de una interfaz, como la pared posterior del objeto o de una imperfección dentro del objeto. La máquina de diagnóstico muestra estos resultados en forma de señal con una amplitud que representa la intensidad de la reflexión y la distancia, que representa el tiempo de llegada de la reflexión. 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 lo ha alcanzado en otra superficie después de 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 del acoplador aumenta la eficiencia del proceso al reducir las pérdidas de energía de las ondas ultrasónicas debido a la separación entre las superficies.

Ejemplos[5][6][7]

Uno de los ejemplos que utilizan ultrasonido para probar las propiedades del material es la medición del tamaño de grano de un material específico. A diferencia de la medición destructiva, el ultrasonido ofrece métodos para medir el tamaño del grano de forma no destructiva con una eficiencia de detección aún mayor. La medición del tamaño de grano mediante ultrasonido se puede lograr mediante la evaluación de las velocidades, atenuaciones y características de retrodispersión de los ultrasonidos. Stanke, Kino y Weaver desarrollaron la base teórica para el modelo de atenuación de 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 se correlaciona linealmente con el tamaño del grano a través de la dispersión de los límites del grano. [6] Estos conceptos de prueba ultrasónica se pueden utilizar para resolver inversamente el tamaño del grano en el dominio del tiempo cuando el coeficiente de atenuación de dispersión se mide a partir de datos de prueba, proporcionando una forma no destructiva de predecir las propiedades del material con instrumentos bastante simples.

Características

Ventajas

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

Desventajas

  1. La operación manual requiere atención cuidadosa por parte de técnicos experimentados. Los transductores alertan sobre la estructura normal de algunos materiales, anomalías tolerables de otras muestras (ambas denominadas "ruido") y fallas en los mismos lo suficientemente graves como para comprometer la integridad de la muestra. Estas señales deben ser distinguidas por un técnico capacitado, lo que posiblemente requiera un seguimiento con otros métodos de prueba no destructivos. [8]
  2. Se requieren amplios conocimientos técnicos para el desarrollo de procedimientos de inspección. [1]
  3. El acabado superficial rugoso, la geometría irregular, las piezas pequeñas, los espesores finos o la composición del material no homogénea pueden dificultar las pruebas.
  4. La superficie debe prepararse limpiando y eliminando incrustaciones sueltas, pintura, etc., aunque es posible que no sea necesario eliminar la pintura que esté adherida adecuadamente a una superficie.
  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 estándares de referencia y calibración. [1]

Estándares

Organización Internacional de Normalización (ISO)
Comité Europeo de Normalización (CEN)

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

Ver también

Referencias

  1. ^ abcdefghij Detección de fallas no destructivas 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. (1 de marzo de 2015). "Revisión de técnicas de medición de segunda generación de armónicos para la determinación del estado de materiales en metales" (PDF) . Revista de evaluación no destructiva . 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; Teherani, Niloofar; Chi, Sheng-Wei; Ozevin, Didem; Indacochea, J. Ernesto (2017). "Descomposición de armónicos basada en ondas de señales ultrasónicas en la evaluación de la deformación plástica en aluminio". Medición . 106 : 66–78. Código Bib : 2017Medidas..106...66M. doi : 10.1016/j.medición.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 1/8/2021
  5. ^ Liu, Yu; Tian, ​​Qiang; Guan, Xuefei (septiembre de 2021). "Estimación del tamaño de grano mediante atenuación de ultrasonidos en fase". END y E Internacional . 122 : 102479. doi : 10.1016/j.ndteint.2021.102479. ISSN  0963-8695.
  6. ^ ab Zeng, Fei; Agnew, Sean R.; Raisinia, Babak; Myneni, Ganapati R. (31 de marzo de 2010). "Atenuación ultrasónica debido a la dispersión de los límites del grano en niobio puro". Revista de evaluación no destructiva . 29 (2): 93-103. doi :10.1007/s10921-010-0068-2. ISSN  0195-9298.
  7. ^ Stanke, Fred E.; Kino, GS (1 de marzo de 1984). "Una teoría unificada para la propagación de ondas elásticas en materiales policristalinos". La Revista de la Sociedad de Acústica de América . 75 (3): 665–681. Código bibliográfico : 1984ASAJ...75..665S. doi : 10.1121/1.390577. ISSN  0001-4966.
  8. ^ Patente de EE. UU. 3.260.105 para aparatos y métodos de prueba ultrasónicos de James F. McNulty en las líneas 37-48 y 60-72 de la columna 1 y las líneas 1-4 de la columna 2.

Otras lecturas

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la detección de fallas por ultrasonidos .