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Prueba ultrasónica

Ejemplo de prueba ultrasónica (UT) en las raíces de las 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 especial de boroscopio (sonda de video). Paso 2 : se ingresan los ajustes del instrumento. Paso 3 : la sonda se escanea sobre la raíz de la pala. En este caso, una indicación (pico en los datos) a través de 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 envía una onda de sonido a un material de prueba. Hay dos indicaciones, una del pulso inicial de la sonda y la segunda debido al eco de la pared posterior. DERECHA: Un defecto crea la tercera indicación y reduce simultáneamente 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 pruebas no destructivas basadas en la propagación de ondas ultrasónicas en el objeto o material probado. En las aplicaciones UT más comunes, se transmiten ondas de pulso ultrasónico muy cortas con frecuencias centrales que van desde 0,1 a 15 MHz y ocasionalmente hasta 50 MHz, a los materiales para detectar fallas internas o para caracterizar los 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 materiales compuestos, aunque con menor resolución. Se utilizan en muchas industrias, entre ellas 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 produjeron 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 concede el 21 de abril de 1942 como patente estadounidense n.º 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 prueba no destructivo completamente nuevo describen sucintamente los conceptos básicos de dicha prueba ultrasónica. "Mi invención se refiere a un dispositivo para detectar la presencia de inhomogeneidades de densidad o elasticidad en los materiales. Por ejemplo, si una pieza de fundición 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 encuentre totalmente en la pieza de fundición y ninguna parte del mismo se extienda a 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 una o más estaciones de la superficie de la pieza".

James F. McNulty (ingeniero de radio estadounidense) de Automation Industries, Inc., en El Segundo, California, uno de los primeros en mejorar las muchas debilidades y limitaciones de este y otros métodos de prueba no destructivos, enseña con más detalle sobre las pruebas ultrasónicas en su patente estadounidense 3.260.105 (solicitud presentada el 21 de diciembre de 1962, otorgada el 12 de julio de 1966, titulada "Aparato y método de prueba ultrasónica") 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 se acopla mecánicamente a la superficie de la muestra que se va a probar. Este acoplamiento puede efectuarse por inmersión tanto del transductor como de la muestra en un cuerpo de líquido o por contacto real a través de una película delgada de líquido como 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 transductor o por uno 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 onda ultrasónica intensa se distorsiona a medida que enfrenta 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 armónicas primera y segunda. Estas amplitudes se pueden medir mediante la descomposición armónica de la señal ultrasónica a través de la transformación rápida de Fourier o la transformación wavelet. [3]

Cómo funciona

En una obra, un técnico comprueba si hay defectos en la soldadura de una tubería utilizando un instrumento de ultrasonidos 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. La zona húmeda es el acoplador ultrasónico que permite que el sonido pase a la pared de la tubería.
Prueba no destructiva de un eje de giro que muestra grietas en las estrías

En las pruebas ultrasónicas, se pasa un transductor de ultrasonidos conectado a una máquina de diagnóstico sobre el objeto que se está inspeccionando. El transductor normalmente está 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 acústico electromagnético (EMAT), no se requiere el uso de acoplante.

Existen dos métodos para recibir la forma de onda de ultrasonidos: 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 vuelta 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 una 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 ultrasonidos a través de una superficie y un receptor independiente detecta la cantidad que le ha llegado a 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 acoplante aumenta la eficiencia del proceso al reducir las pérdidas en la energía de la onda ultrasónica debido a la separación entre las superficies.

Ejemplos[5][6][7]

Uno de los ejemplos de uso de ultrasonidos para comprobar las propiedades de los materiales es la medición del tamaño de grano de un material específico. A diferencia de la medición destructiva, los ultrasonidos ofrecen métodos para medir el tamaño de grano de forma no destructiva con una eficiencia de detección aún mayor. La medición del tamaño de grano mediante ultrasonidos se puede lograr mediante la evaluación de las velocidades ultrasónicas, las atenuaciones y la característica de retrodispersión. La base teórica para el modelo de atenuación de dispersión fue desarrollada por Stanke, Kino y Weaver.

Con una 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 correlacionada linealmente con el tamaño del grano a través de la dispersión del límite 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 la dispersión se mide a partir de datos de prueba, lo que proporciona una forma no destructiva de predecir la propiedad 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 en la determinación de la profundidad de defectos internos y el espesor de piezas con superficies paralelas.
  4. Cierta capacidad para estimar el tamaño, la orientación, la forma y la naturaleza de los defectos.
  5. Algunas capacidades para 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 efecto sobre los equipos y materiales en las cercanías.
  7. Capaz de operación portátil, altamente automatizada o remota.
  8. Los resultados son inmediatos, lo que permite tomar decisiones en el momento. [1]
  9. Es necesario acceder sólo a una superficie del producto que se está inspeccionando. [1]

Desventajas

  1. La operación manual requiere de una atención cuidadosa por parte de técnicos experimentados. Los transductores alertan tanto sobre la estructura normal de algunos materiales, como sobre anomalías tolerables en otras muestras (ambas denominadas “ruido”) y sobre fallas en las mismas lo suficientemente graves como para comprometer la integridad de la muestra. Estas señales deben ser diferenciadas por un técnico experto, lo que posiblemente requiera un seguimiento con otros métodos de prueba no destructivos. [8]
  2. Para el desarrollo de procedimientos de inspección se requieren amplios conocimientos técnicos. [1]
  3. Un acabado superficial rugoso, una geometría irregular, piezas pequeñas, espesores delgados o una composición de material no homogénea pueden dificultar las pruebas.
  4. La superficie debe prepararse limpiándola y quitando las incrustaciones sueltas, la pintura, etc., aunque es posible que no sea necesario quitar la pintura que esté correctamente adherida a la superficie.
  5. Se necesitan acoplantes para transferir de manera eficaz 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 transductores acústicos electromagnéticos y láser ( EMAT ).
  6. El equipo puede ser costoso. [1]
  7. Requiere estándares de referencia y calibración. [1]

Normas

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.)

Véase también

Referencias

  1. ^ abcdefghij 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. (1 de marzo de 2015). "Revisión de las técnicas de medición de la generación de segundos armónicos 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 wavelets 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 recuperado el 1 de agosto de 2021
  5. ^ Liu, Yu; Tian, ​​Qiang; Guan, Xuefei (septiembre de 2021). "Estimación del tamaño de grano mediante atenuación por ultrasonidos de matriz en fase". NDT & E International . 122 : 102479. doi :10.1016/j.ndteint.2021.102479. ISSN  0963-8695.
  6. ^ ab Zeng, Fei; Agnew, Sean R.; Raeisinia, Babak; Myneni, Ganapati R. (31 de marzo de 2010). "Atenuación ultrasónica debida a la dispersión de los límites de 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". Revista de la Sociedad Acústica de América . 75 (3): 665–681. Bibcode :1984ASAJ...75..665S. doi :10.1121/1.390577. ISSN  0001-4966.
  8. ^ Patente de EE. UU. 3.260.105 para aparato y método de prueba ultrasónica de James F. McNulty en las líneas 37 a 48 y 60 a 72 de la columna 1 y las líneas 1 a 4 de la columna 2.

Lectura adicional

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Detección de fallas por ultrasonidos .