Marco Teórico Del Ensayo Ultrasonido

MARCO TEÓRICO DEL ENSAYO ULTRASONIDO

Este método se basa en la medición de la propagación del sonido en el medio que constituye la pieza a analizar y tiene aplicación en todo tipo de materiales. Sus distintas técnicas permiten su uso en dos campos de ensayos no destructivos: Control de calidad y Mantenimiento preventivo, siendo en esta última especialidad por su precisión para determinar pequeñas fisuras de fatiga

Los ensayos mediante ultrasonidos permiten la medida de espesores reales en servicio, de espesores de películas protectoras, de pinturas, de recubrimientos, así como la localización y medida de defectos internos como micro fisuras, segregaciones y poros. Son especialmente prácticos en la inspección de soldaduras. Estos ensayos se basan en la aplicación de ultrasonidos, que son ondas producidas por vibraciones mecánicas de frecuencia superior a 20000 ciclos por segundo, que supera el límite o umbral de audición humana. Los ultrasonidos más utilizados son de frecuencias comprendidas entre

y

ciclos por segundo, y se propagan en línea recta, pudiendo atravesar espesores de acero de varios metros.

La mayoría de estas fallas generalmente se representan en un osciloscopio, pero este no nos presenta un cuadro específico de las fallas, como consecuencia los resultados de este ensayo no constituyan de por si un documento objetivo sino una información subjetiva, cuya fidelidad no puede comprobarse sin recurrir a otros medios. Por lo tanto requiere un conocimiento profundo de las bases del método como del dominio de la técnica, por parte del operador.

Si tomamos ahora un sólido y provocamos en él una perturbación produciremos una agitación en sus moléculas que se propagará una onda por el sólido hasta sus extremos. Dicha onda puede ser estudiada a una distancia cualquiera de la fuente. Este tipo de ondas puede ser provocado en cualquier medio que sea elástico. Cabe destacar que las ondas solo provocan la propagación de energía y no de materia, y eso se debe al acoplamiento de las partículas del medio en que viaja.

El sonido viaja a través de los materiales por medio del movimiento de las moléculas unidas elásticamente. Por lo tanto se define a la Impedancia Acústica como a la resistencia que opone el medio a la propagación de las ondas, siendo igual al producto de la densidad del medio por la velocidad de la onda en dicho medio. Por lo tanto, un material que posea baja impedancia acústica significa que posee baja resistencia a las deformaciones elásticas producto de las ondas sonoras. La Impedancia Acústica es importante en la determinación de la transmisión y reflexión acústica en la superficie de contacto de dos materiales que poseen distintas propiedades y el diseño de los cabezales ultrasónicos.

La amortiguación de las ondas es grande en gases e intermedia en líquidos. Puesto que el comportamiento y la propagación de los ultrasonidos son de naturaleza ondulatoria, para que una discontinuidad o defecto sea detectable mediante esta técnica, es necesario que su dimensión en el sentido de propagación de la onda sea mayor que una semilongitud de onda, pues únicamente en ese caso la onda atravesará con seguridad el defecto y aparecerá una variación de la intensidad sónica medida. Así pues el límite de detección de esta técnica depende casi exclusivamente de la frecuencia de los ultrasonidos utilizados. Al tratarse de una onda, las frecuencias se hallan relacionadas con las longitudes de onda en función de la velocidad de propagación de la onda:

La velocidad de propagación depende fuertemente de la naturaleza gaseosa, líquida o sólida del medio. Así pues, las ondas de ultrasonidos sufrirán cambios bruscos al pasar de un medio a otro, lo cual aporta otra de las razones de su utilización. Los ultrasonidos, de forma análoga a como lo hacen las ondas acústicas o luminosas, sufren fenómenos de reflexión, refracción y difusión, lo cual permite su utilización para el estudio de materiales.

Cuando se inventó este procedimiento, se medía la disminución de intensidad de energía acústica cuando se hacían viajar ondas supersónicas en un material, requiriéndose el empleo de un emisor y un receptor. Actualmente se utiliza un único aparato que funciona como emisor y receptor, basándose en la propiedad característica del sonido de reflejarse al alcanzar una interface acústica. Los equipos de ultrasonido que se utilizan actualmente permiten detectar discontinuidades superficiales, sub-superficiales e internas, dependiendo del tipo de palpado utilizado y de las frecuencias que se seleccionen. Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o un cerámico piezoeléctrico denominado transductor y que tiene la propiedad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente el transductor vibra a altas frecuencias generando ultrasonido. Las vibraciones generadas son recibidas por el material que se va a inspeccionar, y durante el trayecto la intensidad de la energía sónica se atenúa proporcionalmente a la distancia del recorrido. Al alcanzar la frontera del material, el haz sónico es reflejado, y se recibe el eco por otro o el mismo transductor. Su señal es filtrada e incrementada para ser enviada a un osciloscopio. GENERACIÓN Y DETECCIÓN DE ULTRASONIDOS

Entre los diferentes procedimientos para la generación y detección de ondas de ultrasonidos, uno de los más habituales y de mayor interés es el método piezoeléctrico. Esto se basa en el fenómeno piezoeléctrico que consiste en la generación de cargas eléctricas por medio de solicitaciones o presiones de naturaleza mecánica. Lo presentan muchos cristales, como el cuarzo, titanato de bario, sulfato de bario, sulfato de zinc, turmalina, que son los más comúnmente utilizados. El fenómeno piezoeléctrico es reversible, es decir, si se aplica una diferencia de potencial a un cristal piezoeléctrico, este experimenta vibraciones mecánicas variables, que con la frecuencia apropiada generan las ondas de

ultrasonidos. Igualmente, en sentido inverso, los ultrasonidos se traducirán en estos cristales en un campo eléctrico variable, permitiendo su detección. Estos cristales, para poder ejercer su función, van montados adecuadamente en unos soportes denominados palpadores o sondas de ultrasonidos

CARACTERISTICAS DEL CABEZAL

El cabezal es una parte muy importante del instrumento de ultrasonido. Como se comentó anteriormente, es el que contiene el elemento piezoeléctrico que convierte la señal eléctrica en vibraciones mecánicas en la emisión y las vibraciones mecánicas en energía eléctrica en recepción Algunos factores, como la construcción mecánica y eléctrica, afectan el comportamiento del cabezal. La construcción mecánica incluye parámetros como la superficie de radiación, el amortiguamiento propio, el encapsulado, el conexionado, entre otros.

TIPOS DE CABEZALES

Los cabezales son fabricados para varias aplicaciones específicas, por lo tanto hay que prestar especial atención a la elección parámetros como la frecuencia deseada, ancho de banda y el enfoque del mismo según la necesidad. Estos se clasifican según la aplicación, entre estos tenemos:

Cabezales de contacto Son utilizados para las inspecciones que necesitan contacto con la pieza y son, generalmente, manipulados a mano. Estos poseen sus componentes protegidos por una carcasa ergonómica y una interfase que impide el desgaste de la cara que roza con las piezas a analizar. Requieren de un medio de acople como grasas, aceites o agua para remover la película de aire entre el cabezal y el componente analizado.

Cabezales angulares Los cabezales angulares utilizan una interfase en forma de cuña la cual genera un ángulo entre el haz emitido y la normal a la superficie analizada.

Esto introduce ondas refractadas de corte en el material al mismo tiempo que dichas ondas son reflejadas en las paredes de la pieza mejorando la detección de imperfecciones en cordones de soldaduras. También son utilizados para generar ondas de superficie para detectar defectos superficiales. Micro cabezales

Con carcasas cuyas dimensiones son del orden de milímetros son ideales para inspecciones de soldaduras en tubos de pequeños diámetros o donde la introducción de ondas transversales se debe realizar con un sondeo muy pequeño. Cabezales del tipo brocha

Este tipo de cabezales son utilizados para escanear áreas extensas reduciendo los tiempos de ensayo. Están constituidos por una matriz de pequeños cristales piezoeléctricos cuidadosamente colocados para minimizar la variación de performance y mantener una sensibilidad uniforme en toda el área. Cabezales de inmersión

Estos cabezales no entran en contacto con la pieza a analizar. Están diseñados para operar dentro de un medio líquido y posee todas sus conexiones estancas para evitar el deterioro de los componentes. Este tipo de cabezales son utilizados generalmente dentro de un tanque de agua el cual es parte de un sistema de escaneo. Cabezales del tipo lápiz

Entre las aplicaciones típicas de estos cabezales se encuentra la inspección de alabes de turbinas, tubos de pequeños diámetros y aéreas cóncavas en pequeñas piezas. Poseen una pequeña área de inspección.

Cabezales de rodillos

Estos cabezales son utilizados para inspeccionar junta de elementos tanto metálicos como no metálicos, por ejemplo: uniones de maderas, concreto, soldaduras metálicas o plásticas y vidrios entre otros. Permiten realizar un escaneo rápido sin la necesidad de utilizar la técnica de inmersión.

PROCEDIMIENTO PULSO-ECO

Este procedimiento utiliza la porción reflejada del sonido para evaluar los defectos. El cabezal piezoeléctrico funciona tanto como emisor como receptor. Como la energía recibida es mucho más débil que a emitida, aquí no puede operarse sobre la base de sonido continuo, se emplean exclusivamente impulsos de sonido. Un impulso eléctrico de cortísima duración genera una análoga onda ultrasónica, inmediatamente después, mientras aún se está propagando la onda el mismo oscilador está listo para la recepción. La onda penetra el material hasta que, como resultado de una superficie limite, tiene lugar una reflexión total o parcial. Si la superficie reflectante se encuentra perpendicular a la dirección de propagación de la onda, esta se refleja en su dirección primitiva y, al cabo de un tiempo llega de vuelta al oscilador siendo reconvertida en un impulso eléctrico. Pero no toda la energía que regresa es reconvertida, sino que en la interfaz entre el cabezal y la superficie de la pieza tiene lugar una nueva reflexión, por lo que una parte menor del sonido vuelve a atravesar la pieza por segunda vez y así sucesivamente.

PATRONES DE CALIBRACIÓN La acción de calibración se refiere a un acto de evaluación y ajuste de la precisión de medida del equipo. En lo que respecta a ensayos ultrasónicos se utilizan variados métodos de calibración ya que es un ensayo que se basa en la comparación.

Primeramente la electrónica del equipo se debe calibrar para asegurar su funcionamiento y diseño. Luego hay una calibración que se debe realizar por el usuario previo al ensayo. Esta calibración incluye al equipo y al cabezal para validar los niveles deseados de precisión. El usuario puede utilizar un patrón de referencia con una imperfección artificial inducida a aproximadamente la misma distancia del cabezal en el material para determinar el tamaño aproximado de dicha fisura, comparando ambas señales. Cabe destacar que el material del patrón a utilizar debe ser el mismo que el material a inspeccionar.

APLICACIONES DEL ENSAYO La amplia aplicación de los métodos de ensayos no destructivos en materiales se encuentra resumida en los tres grupos siguientes: Defectología. Permite la detección de discontinuidades, evaluación de la corrosión y deterioro por agentes ambientales; determinación de tensiones; detección de fugas. Caracterización. Evaluación de las características químicas, estructurales, mecánicas y tecnológicas de los materiales; propiedades físicas (elásticas, eléctricas y electromagnéticas); transferencias de calor y trazado de isotermas. Metrología. Control de espesores; medidas de espesores por un solo lado, medidas de espesores de recubrimiento; niveles de llenado. En las industrias se utilizan en la verificación de imperfecciones en motores, en plantas generadoras, en motores a reacción, en estructuras de construcción, en puentes, en tuberías, en tanques de almacenamiento, etc.