Pruebas no destructivas con ultrasonido para la gestión de materiales

El ultrasonido es una vibración mecánica con un rango mayor al audible por el oído humano que se transmite a través de un medio físico y es orientado, registrado y medido en Hertz con ayuda de un aparato creado para ese fin.

Rangos de sonido:

  • Infrasónica = 1 – 16 Hz
  • Sónica o audible = 16 Hz a 20 KHz
  • Ultrasónica = 20 KHz en adelante

Para la prueba de ultrasonido en materiales metálicos es de 0.2 a 25 MHz.

pruebas-no-destructivas-ultrasonido

§  Principios

  • La impedancia acústica es la resistencia que oponen los materiales al paso de una onda ultrasónica.
  • Ondas acústicas iguales a las ondas sónicas.
  • Transmisión de energía entre partículas que propicia el oscilamiento.
  • El número de oscilaciones son de acuerdo al tipo de onda que se trata.
  • Se propagan en todos los medios elásticos donde exista fracciones de materia ( átomos o moléculas capaces de vibrar ).
  • La vibración depende de la separación de las partículas.

§  Aplicaciones

  • Detección y caracterización de discontinuidades.
  • Medición de espesores, extensión y grado de corrosión.
  • Determinación de características físicas.
  • Características de enlace entre materiales.

§  Ventajas

  • La prueba se efectúa mas rápidamente obteniendo resultados inmediatos.
  • Se tiene mayor exactitud al determinar la posición de las discontinuidades internas; estimando sus dimensiones, orientación y naturaleza.
  • Alta sensibilidad para detectar discontinuidades pequeñas.
  • Alta capacidad de penetración, lo que permite localizar discontinuidades a gran profundidad del material.
  • Buena resolución que permite diferenciar dos discontinuidades próximas entre si.
  • Solo requiere acceso por un lado del objeto a inspeccionar.
  • No requiere de condiciones especiales de seguridad.

§  Limitaciones

  • Baja velocidad de inspección cuando se emplean métodos manuales.
  • Requiere de personal con una buena preparación técnica y gran experiencia.
  • Dificultad para inspeccionar piezas con geometría compleja, espesores muy delgados o de configuración irregular.
  • Dificultad para detectar o evaluar discontinuidades cercanas a la superficie sobre la que se introduce el ultrasonido.
  • Requiere de patrones de calibración y referencia.
  • Es afectado por la estructura del material. ( tamaño de grano, tipo de material ).
  • Alto costo del equipo.
  • Se requiere de agente acoplante.

§  Principios físicos

  • Amplitud ( A ).- Es el desplazamiento máximo de una partícula desde su posición de cero.
  • Frecuencia ( F ).- Se define como el numero de veces que ocurre un evento repetitivo ( ciclo ) por unidad de tiempo. Su unida Hertz.
  • Longitud de onda ( l ).- Es la distancia ocupada por una onda completa y es igual a la distancia a través de la cual se mueve la onda por periodo de ciclo.
  • Velocidad de propagación o velocidad acústica ( V ).- Es la velocidad de transmisión de la energía sonora a través de un medio.
  • Impedancia acústica ( Z ).- Es la resistencia de un material a las vibraciones de las ondas ultrasónicas. Es el producto de la velocidad máxima de vibración por la densidad del material.

Tipos de ondas

  • Ondas longitudinales.- Sus desplazamientos de las partículas son paralelos de propagación del ultrasonido.
  • Ondas transversales.- Los desplazamientos de las partículas es en forma perpendicular a la dirección del haz ultrasónico.
  • Ondas superficiales.- Son aquellas que se desplazan sobre la superficie del material y penetran a una profundidad máxima de una longitud de onda.

Los principales parámetros que deben ser controlados en un sistema ultrasónico son:

Sensibilidad. Es la capacidad de un transductor para detectar discontinuidades pequeñas.

Resolución. Es la capacidad para separar dos señales cercanas en tiempo o profundidad.

Frecuencia central. Los transductores deben utilizar en su rango de frecuencia especificado para obtener una aplicación optima.

Atenuación del haz. Es la perdida de energía de una onda ultrasónica al desplazarse a través de un material. Las causas principales son la dispersión y la absorción.

  • Transductores

Es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica ( ondas sonoras ) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales.

  • Materiales Piezoelectricos

Cuarzo. Se obtiene a partir de cristales naturales. Posee excelentes características estabilidad térmica, química y eléctrica. Es muy duro y resistente al desgaste así como al envejecimiento. Desafortunadamente, sufre interferencias en el modo de conversión y es el menos eficiente de los generadores de energía acústica. Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias. Se debe emplear a temperaturas menores de 550 °C, pues por arriba de ésta pierde sus propiedades piezoeléctricas.

Sulfato de litio. Este material se considera como uno de los receptores mas eficientes. Su ventaja principal en su facilidad de obtener una amortiguación acústica optima lo que mejora el poder de resolución, no envejece y es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión. Sus desventajas son que es muy frágil, soluble en agua y se debe emplear a temperaturas menores de 75 °C.

Cerámicas polarizados. Se obtienen por sinterización y se polarizan durante el proceso de fabricación. Se consideran como los generadores mas eficientes de energía ultrasónica cuando operan a bajos voltajes de excitación. Prácticamente no son afectados por la humedad y algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 °C. Sus principales limitaciones son: resistencia mecánica relativamente baja, en algunos casos existe interferencia en el modo de conversión, presentan tendencia al envejecimiento. Además poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES USADOS COMO TRANSDUCTORES EN LOS PALPADORES

 

Material

Eficiencia como transmisorEficiencia como receptor 

Sensibilidad

 

Poder de resolución

 

Características mecánicas

CuarzoMalaMedianaEscasaOptimaBuena
Sulfato de litioMedianaBuenaBuenaOptimaSoluble en agua
Titanato de barioBuenaMedianaOptimaMedianaFrágil
Metaniobato de barioBuenaMedianaOptimaOptimaBuena
Zirconato titanato de plomoBuenaMedianaOptimaMedianaBuena
  • Elección del transductor
  1. Clase de cristal. Con la elección de cada clase de cristal se puede variar el poder resolutivo y la sensibilidad de los transductores.
  2. Diámetro del cristal. Entre mayor sea el diámetro del cristal se obtiene una mayor profundidad de penetración, asimismo una mayor longitud en un campo cercano y una menor divergencia.
  3. Frecuencia. Con la elección de una mayor frecuencia se obtiene mayor posibilidad para la identificación de discontinuidades pequeñas, mayor longitud de campo cercano, mayor poder resolutivo, menor profundidad de penetración y mínima divergencia.

MATERIALES PIEZOELECTRICOS

MATERIALVENTAJASDESVENTAJAS
CUARZO*     Se obtiene a partir de cristales naturales.

*     Posee excelentes características estabilidad térmica, química y eléctrica.

*     Es muy duro y resistente al desgaste así como al envejecimiento.

Sufre interferencias en el modo de conversión

Es el menos eficiente de los generadores de energía acústica.

Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias.

Se debe emplear a temperaturas menores de 550 °C, pues por arriba de ésta pierde sus propiedades piezoeléctricas.

 

 

SULFATO DE LITIO

*      Receptor mas eficiente.

*      Facilidad de obtener una amortiguación acústica optima.

*      Mejor poder de resolución.

*      No envejece.

*      Es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión.

*      Es muy frágil

*      Soluble en agua

*      Se debe emplear a temperaturas menores de 75 °C.

CERÁMICOS POLARIZADOS*      Se obtienen por sinterización y se polarizan durante el proceso de fabricación.

*      Se consideran como los generadores mas eficientes de energía ultrasónica cuando operan a bajos voltajes de excitación.

*      Prácticamente no son afectados por la humedad

*      Algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 °C.

*      Resistencia mecánica relativamente baja,

*      En algunos casos existe interferencia en el modo de conversión.

*      Presentan tendencia al envejecimiento.

*      Además poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.

 

TITANATO DE BARIO*      Es un buen emisor debido a su elevado modulo piezoeléctrico.*      Problemas de acoplamiento y amortiguación.

*      Su empleo esta limitado a frecuencias menores de 15 MHz, debido a su baja resistencia mecánica y alta impedancia acústica.

*      Presenta interacción entre varios modos de vibración.

*      La temperatura de su punto curie es de 115 – 150 ° C.

METANIOBATO DE BARIO*      Presenta un modulo piezoeléctrico elevado lo que lo califica como buen emisor.

*      Posee excelente estabilidad térmica, similar al cuarzo, lo que le permite ser empleado a altas temperaturas.

*      Posee un elevado coeficiente de amortiguación interna, por lo que se considera como el mejor material para generar impulsos cortos.

Presenta una baja frecuencia fundamental y una mala resistencia mecánica, por lo que se aplica principalmente a frecuencias altas.

Presenta interacción entre varios modos de vibración.

ZIRCONATO TITANATO DE PLOMOSe considera como el mejor emisor por su alto modulo piezoeléctrico.Sin embargo, es el mas difícil de amortiguar por su alto coeficiente de deformación. Se recomienda su empleo cuando existen problemas de penetración.
  • Tipos De Palpadores

Palpador de contacto. Se coloca directamente en la superficie de prueba aplicando presión y un medio de acoplamiento. Se fabrica para inspecciones de haz recto. Para proteger el transductor de la abrasión, se cubre con un material duro como el oxido de aluminio.

Palpadores de haz recto. Emite ondas longitudinales con frecuencias de 0.5 a 10 MHz. Se emplea generalmente para la inspección de piezas en las que se puede colocar directamente la unidad de prueba sobre el área de interés las discontinuidades son paralelas a la superficie de contacto. También es útil en la detección de discontinuidades y en la medición de espesores.

Palpadores de incidencia angular. Genera ondas de corte, de superficie y de placa. Se construye acoplando una unidad de haz recto a una de las caras de una zapata de plástico, al cual presenta determinado ángulo de refracción. Se emplea n los equipos de pulso eco y su aplicación es casi exclusiva en la detección de discontinuidades orientadas perpendicularmente a la superficie de prueba.

Tipos de palpadores angulares. De acuerdo a su tamaño frecuencia, forma, tipo e intercambiabilidad de la zapata. Tienen marcado en la zapata el ángulo de refracción del sonido dentro del material de prueba, los ángulos comerciales para el acero son 35, 45, 60, 70, 80, 90 grados.

ACOPLANTE

Liquido más o menos viscoso que se utiliza para permitir el paso de las ondas del transductor a la pieza bajo examinación, ya que las frecuencias que se utilizan para materiales metálicos no se transmiten en el aire.

Características Del Liquido Acoplante:

  • ( capaz de mojar la superficie y el palpador )
  • Viscosidad adecuada.
  • Baja atenuación. ( que el sonido se transmita al 100% )
  • Bajo costo.
  • No toxico.
  • No corrosivo.
  • Impedancia acústica adecuada.

Tipos De Acoplantes:

  • Agua
  • Aceite
  • Grasa
  • Glicerina
  • Vaselina

REFLEXIÓN

Cantidad de energía ultrasónica que es reflejada al incidir en una interfase acústica.

Ley de reflexión. El ángulo de onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente de la misma especie.

REFRACIÓN

Se lleva a cabo cuando un haz ultrasónico pasa de un medio a otro, siendo su velocidad del medio diferente entre sí y cambia la dirección en relación con la dirección de incidencia.

Ley de refracción. El cambio de dirección de la onda refractada, acercándose en la normal a su superficie de separación de ambos medios, depende de la velocidad del sonido en el segundo medio sea menor o mayor que en el primer medio.

V1 = Velocidad del medio 1                              a = Ángulo de incidencia

V2 = Velocidad del medio 2                              q = Ángulo de refracción

CARACTERÍSTICAS DEL OSCILOGRAMA

PALPADOR DE HAZ LONGITUDINAL DE UN CRISTAL

MÉTODO DE INSPECCIÓN POR CONTACTO DIRECTO

BLOQUE DE CALIBRACIÓN

Los patrones de referencia pueden ser un bloque o juego de bloques con discontinuidades artificiales y/o espesores conocidos. Que son empleados para calibrar equipos de ultrasonido y para evaluar las indicaciones de las discontinuidades de la muestra inspeccionada

Los bloques de calibración deben de tener las mismas propiedades físicas, químicas y de estructura que el material a inspeccionar.

Por medio de los bloques de calibración se puede:

  1. Verificar que el sistema compuesto por el transductor, cable coaxial y el equipo funciona correctamente.
  2. Fijar la ganancia o la sensibilidad con la cual se detectará las discontinuidades equivalentes a un tamaño especificado o mayores.

COMENTARIOS

La práctica de pruebas ultrasonicas se realiza bajo condiciones de operación inadecuadas que pueden variar la precisión y veracidad de nuestras mediciones. Es necesario que se realicen actividades con las cuales puedan ser corregidas o modificadas las deficiencias durante el desarrollo de la práctica. Algunas de estas son:

Contar con un laboratorio apropiado para realizar la prueba , como sabemos los diferentes materiales pueden cambiar sus propiedades físicas, químicas o mecanicas de acuerdo al ambiente en el que estos se encuentren.

Contar con el equipo y material necesario, ya que no se tiene todos los elementos necesarios para realizar la prueba. Como caso particular mencionaremos que el acoplante (aceite) fue tomado directamente del envase que lo contenia y aplicado con los dedos, ya que no se contaba con una aceitera. Cabe mencionar que esto puede provocar contaminación de las piezas que van a ser sometidas a la prueba de ultrasonido.

La distribución de los alumnos para observar el desarrollo de la práctica no es la adecuada ya que por las características propias del osciloscopio, no se alcanza a observar lo que ocurre en la práctica y los gráficos que genera el osciloscopio.

CONCLUSIONES

Con el desarrollo de esta práctica se pudo observar lo siguiente:

  • Se estudio toda la información teórica necesaria acerca de la prueba no destructiva de
  • La prueba de ultrasonido es realizada mediante la emisión de un sonido de alta frecuencia que nos indica los defectos de nuestro material a través de la pantalla de un osciloscopio.
  • Al efectuar la prueba de ultrasonido a nuestras “probetas” se pudo observar físicamente cual es el procedimiento a seguir para la realización de la prueba. Así mismo se determino el defecto que presentaba nuestra probeta pudiendo determinar la distancia a la cual se encontraba.
  • Se observo físicamente cual es equipo necesario para realizar la prueba de ultrasonido siendo estos: Una fuente de poder, un osciloscopio, un palpador, acoplante y la probeta.
  • También se realizaron los cálculos pertinentes para la determinación de los parámetros siguientes: Longitud de onda, ángulo de divergencia, campo cercano y diámetro del defecto.
  • También se observo que si la frecuencia aumenta el poder resolutivo será menor y el campo muerto de los ecos de fondo disminuirá.
  • Los materiales sometidos a la prueba de ultrasonido deben de ser de forma regular y de materiales no porosos. Por otro lado encontramos que tanto los materiales ferrosos como los no ferrosos pueden ser sometidos a esta prueba.
  • La prueba de ultrasonido nos permite localizar defectos de tipo interno tales como: poros, grietas, rechupes, defectos de soldadura, etc.
  • Algunas de las ventajas de esta prueba son: Es usada en cualquier tipo de material, puede obtenerse un registro en papel, se determinan defectos internos y subsuperficiales.
  • Algunas de sus desventajas son: Se requiere de personal calificado, costo inicial elevado por el tipo de equipo necesario para realizar la prueba.

BIBLIOGRAFÍA

  • Apuntes para el Laboratorio de Pruebas No Destructivas. UPIICSA. México 2002. Pp 96 – 120.

REFERENCIAS Y VINCULOS WEB: [Ver PDF]

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Escalona Moreno Ivan. (2003, septiembre 30). Pruebas no destructivas con ultrasonido para la gestión de materiales. Recuperado de https://www.gestiopolis.com/pruebas-no-destructivas-con-ultrasonido-para-la-gestion-de-materiales/
Escalona Moreno, Ivan. "Pruebas no destructivas con ultrasonido para la gestión de materiales". GestioPolis. 30 septiembre 2003. Web. <https://www.gestiopolis.com/pruebas-no-destructivas-con-ultrasonido-para-la-gestion-de-materiales/>.
Escalona Moreno, Ivan. "Pruebas no destructivas con ultrasonido para la gestión de materiales". GestioPolis. septiembre 30, 2003. Consultado el 22 de Marzo de 2019. https://www.gestiopolis.com/pruebas-no-destructivas-con-ultrasonido-para-la-gestion-de-materiales/.
Escalona Moreno, Ivan. Pruebas no destructivas con ultrasonido para la gestión de materiales [en línea]. <https://www.gestiopolis.com/pruebas-no-destructivas-con-ultrasonido-para-la-gestion-de-materiales/> [Citado el 22 de Marzo de 2019].
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