ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR ULTRASONIDO
ENSAYO NO DESTRUCTIVO POR ULTRASONIDOEl mtodo del ultrasonido en
la ingeniera es utilizado para el ensayo de los materiales, es una
tcnica de ensayo no destructivo (END) y tiene diversas
aplicaciones, en especial para conocer el interior de un material o
sus componentes segn la trayectoria de la propagacin de las ondas
sonoras, al procesar las seales de las ondas sonoras se conoce el
comportamiento de las mismas durante su propagacin en el interior
de la pieza y que dependen de las discontinuidades del material
examinado, lo que permite evaluar aquella discontinuidad acerca de
su forma, tamao, orientacin, debido que la discontinuidad opone
resistencia (conocida como impedancia acstica) al paso de una onda.
Las ondas pueden ser snicas comprendidas en el intervalo de
frecuencias entre 20 y 500 kHz y las ultrasnicos con frecuencias
superiores a 500 kHz.En el mtodo ultrasnico se utilizan
instrumentos que transmiten ondas con ciertos intervalos de
frecuencia y se aplican para detectar defectos como poros, fisuras,
tambin para conocer las propiedades bsicas de los lquidos y slidos
como la composicin, estructura.El anlisis de los materiales
mediante ultrasonido se basa en el principio fsico: El movimiento
de una onda acstica, sabido es que la onda acstica es afectada por
el medio a travs del cual viaja y se distinguen los siguientes
tipos: onda longitudinal, transversal y superficial (Rayleigh),
segn se muestra en la Figura 1, debido a ello ocurren los cambios
asociados con el paso de una onda sonora de alta frecuencia a travs
de un material en uno o ms de los cuatro parmetros siguientes:
tiempo de trnsito, atenuacin, reflexin y frecuencia. Estos
parmetros a menudo pueden estar correlacionados con los cambios de
las propiedades fsicas, dureza, mdulo de elasticidad, densidad,
homogeneidad, estructura y grano del material.
El ultrasonido es una vibracin mecnica con un rango mayor al
audible por el odo humano que se transmite a travs de un medio
fsico y es orientado, registrado y medido en Hertz con ayuda de un
aparato creado para ese fin.Rangos de sonido:
Infrasnica = 1 16 Hz
Snica o audible = 16 Hz a 20 KHz
Ultrasnica = 20 KHz en adelante
Para la prueba de ultrasonido en materiales metlicos es de 0.2 a
25 MHz.Principios
La impedancia acstica es la resistencia que oponen los
materiales al paso de una onda ultrasnica.
Ondas acsticas iguales a las ondas snicas.
Transmisin de energa entre partculas que propicia el
oscilamiento.
El nmero de oscilaciones son de acuerdo al tipo de onda que se
trata.
Se propagan en todos los medios elsticos donde exista fracciones
de materia (tomos o molculas capaces de vibrar).
La vibracin depende de la separacin de las partculas.
Transductores
Es el medio por el cual la energa elctrica se convierte en
energa mecnica (ondas sonoras ) o viceversa. Opera debido al efecto
piezoelctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se
tensionan, se polarizan elctricamente y generan voltaje elctrico
entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de
que al aplicar un voltaje a travs las caras de un cristal, se
produce una deformacin del mismo. Este efecto microscpico se
origina por las propiedades de simetra de algunos cristales.
Materiales Piezo-electricos
Cuarzo. Se obtiene a partir de cristales naturales. Posee
excelentes caractersticas estabilidad trmica, qumica y elctrica. Es
muy duro y resistente al desgaste as como al envejecimiento.
Desafortunadamente, sufre interferencias en el modo de conversin y
es el menos eficiente de los generadores de energa acstica.
Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias. Se debe
emplear a temperaturas menores de 550 C, pues por arriba de sta
pierde sus propiedades piezoelctricas.
Sulfato de litio. Este material se considera como uno de los
receptores ms eficientes. Su ventaja principal en su facilidad de
obtener una amortiguacin acstica optima lo que mejora el poder de
resolucin, no envejece y es poco afectado por la interferencia en
el modo de conversin. Sus desventajas son que es muy frgil, soluble
en agua y se debe emplear a temperaturas menores de 75 C.
Cermicas polarizadas. Se obtienen por sinterizacin y se
polarizan durante el proceso de fabricacin. Se consideran como los
generadores mas eficientes de energa ultrasnica cuando operan a
bajos voltajes de excitacin. Prcticamente no son afectados por la
humedad y algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 C. Sus
principales limitaciones son: resistencia mecnica relativamente
baja, en algunos casos existe interferencia en el modo de
conversin, presentan tendencia al envejecimiento. Adems poseen
menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.
Tipos De Palpadores
Palpador de contacto. Se coloca directamente en la superficie de
prueba aplicando presin y un medio de acoplamiento. Se fabrica para
inspecciones de haz recto. Para proteger el transductor de la
abrasin, 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
inspeccin de piezas en las que se puede colocar directamente la
unidad de prueba sobre el rea de inters las discontinuidades son
paralelas a la superficie de contacto. Tambin es til en la deteccin
de discontinuidades y en la medicin 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 plstico, al cual presenta
determinado ngulo de refraccin. Se emplea n los equipos de pulso
eco y su aplicacin es casi exclusiva en la deteccin de
discontinuidades orientadas perpendicularmente a la superficie de
prueba.
Acoplante
Liquido ms o menos viscoso que se utiliza para permitir el paso
de las ondas del transductor a la pieza bajo examinacin, ya que las
frecuencias que se utilizan para materiales metlicos no se
transmiten en el aire.
Caractersticas Del Liquido Acoplante:
Humectabilidad. ( capaz de mojar la superficie y el palpador
)
Viscosidad adecuada.
Baja atenuacin. ( que el sonido se transmita al 100% )
Bajo costo.
Removible.
No toxico.
No corrosivo.
Impedancia acstica adecuada.
APLICACIN
Las ondas sonoras son vibraciones mecnicas que viajan a travs de
un medio que puede ser un slido, un lquido o, un gas, la propagacin
de las ondas a travs del medio dado, es a una velocidad especfica,
direccin predecible y, cuando las ondas encuentran un lmite con un
medio distinto y con diferente impedancia mecnica, las ondas se
reflejarn o se transmitirn segn reglas conocidas. Este es el
principio fsico utilizado para la deteccin de fallas en los
materiales. La naturaleza ultrasnica es debido a que tienen
frecuencias altas y longitud de onda cortas, apropiadas para el
ensayo de los materiales, para inspeccionar el interior de las
piezas que ofrecen una trayectoria continua a la propagacin de las
ondas sonoras. Para generar onda ultrasnica, se utiliza un
transductor piezoelctrico que convierte las seales elctricas en
seales sonoras, y viceversa. El transductor consiste en un cristal
(de cuarzo) piezoelctrico insertado en un alojamiento a prueba de
agua, que facilita su conexin elctrica a un generador o
transmisor-receptor de pulsos (modo pulso/eco); en el modo de
transmisin, se aplica al cristal un pulso de energa elctrica de
corta duracin y alto voltaje, provocando que cambie rpidamente su
configuracin geomtrica, deformndose, y emita un pulso de energa
acstica (onda) de alta frecuencia. En el modo de recepcin,
cualquier onda ultrasnica o eco que regresen a travs de la
trayectoria acstica, la cual incluye los medios y partes de
acoplamiento, comprimen el cristal, produciendo una seal elctrica
que se amplifica y se procesa en el receptor. Estos pulsos
generados y recibidos por transductores piezoelctricos deben estar
acsticamente acoplados con el material que se ensaya.
La seal admitida es amplificada y analizada con una variedad de
instrumentacin comercial tanto analgica como digital disponible
para este propsito, en la Figura 4 se muestra como una onda
ultrasnica es reflejada al encontrarse con un defecto en el
interior de la pieza.
APLICACIONES
Inspeccin de discontinuidades
Deteccin y caracterizacin de discontinuidades.
Medicin de espesores, extensin y grado de corrosin.
Determinacin de caractersticas fsicas.
Caractersticas de enlace entre materiales.
Ventajas
La prueba se efecta mas rpidamente obteniendo resultados
inmediatos.
Se tiene mayor exactitud al determinar la posicin de las
discontinuidades internas; estimando sus dimensiones, orientacin y
naturaleza.
Alta sensibilidad para detectar discontinuidades pequeas.
Alta capacidad de penetracin, lo que permite localizar
discontinuidades a gran profundidad del material.
Buena resolucin que permite diferenciar dos discontinuidades
prximas entre si.
Solo requiere acceso por un lado del objeto a inspeccionar.
No requiere de condiciones especiales de seguridad.
Limitaciones
Baja velocidad de inspeccin cuando se emplean mtodos
manuales.
Requiere de personal con una buena preparacin tcnica y gran
experiencia.
Dificultad para inspeccionar piezas con geometra compleja,
espesores muy delgados o de configuracin irregular.
Dificultad para detectar o evaluar discontinuidades cercanas a
la superficie sobre la que se introduce el ultrasonido.
Requiere de patrones de calibracin y referencia.
Es afectado por la estructura del material. (tamao de grano,
tipo de material).
Alto costo del equipo.
Se requiere de agente acoplante.
Otras aplicacionesMdulo de elasticidad
El mdulo de elasticidad (Young), mdulo de cizallamiento, son
calculados en funcin de la longitudinal y la velocidad de
onda.Concentracin de lquidos
La proporcin de una mezcla de dos lquidos a una temperatura dada
puede estar correlacionada con la velocidad del sonido por ser
dismiles segn solucin.
Densidad de cermicos
La densidad de la cermica puede ser verificada midiendo la
velocidad del sonido.
Polimerizacin en plsticosEn plsticos y otros polmeros, las
variaciones en la estructura molecular como la longitud o la
orientacin de cadenas del polmero, a menudo estn acompaadas de los
cambios en la velocidad del sonido y/o atenuacin.Dimensin y
distribucin de las partculas y porosidades
Los cambios en el tamao o la distribucin de partculas o la
porosidad en un medio slido o lquido influyen en la amplitud y la
frecuencia de ultrasonido. Anisotropa en slidos
Las variaciones de velocidad en el interior de las piezas, la
dispersin, y/o la atenuacin de ondas a travs de diferentes ejes de
un slido pueden usarse para identificar y cuantificar la anisotropa
de un material. Profundidad de cementacin en acero
Las tcnicas del ultrasonido especialmente de onda transversal y
de alta frecuencia pueden usarse para medir la profundidad de
cementacin. Medida de temperatura
La termometra ultrasnica se usa para medir temperaturas muy
altas (por ejemplo a 3000 grados Celsius) monitoreando cambios en
la velocidad del sonido.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESSe observo fsicamente cual es
equipo necesario para realizar la prueba de ultrasonido siendo
estos: Una fuente de poder, un osciloscopio, un palpador, acoplante
y la probeta. El ensayo no destructivo por ultrasonido es de mayor
sensibilidad que los otros ensayos no destructivos realizados.
Adems es el que se realiza con mayor rapidez obteniendo resultados
casi inmediatos. El equipo utilizado en el laboratorio emplea la
tecnologa de reflexin o tambin denominada Pulso eco. Adems, el
equipo consta de un palpador o transductor normal, ser necesario
echar glicerina pura a la superficie del material a ensayo. Antes
de realizar este ensayo no destructivo se deben establecer los
picos de salida y de fondo de la onda sobre la pieza a analizar.
Cualquier variacin o picos que se presenten dentro de este rango
sern considerados como discontinuidades del material. Se puede
afirmar que si la frecuencia aumenta, el poder resolutivo ser menor
y el campo muerto de los ecos o picos de fondo disminuir.Los
materiales sometidos a la prueba de ultrasonido deben de ser de
forma regular y de materiales no porosos. La prueba de ultrasonido
nos permite localizar defectos de tipo interno tales como: poros,
grietas, rechupes, defectos de soldadura, etc.
Una de las desventajas es que no puede determinar
discontinuidades cercanas a la superficie del material. Pero una
remediacin a este inconveniente es que si el material es accesible
se puede analizar por diferentes lados de la pieza encontrando
discontinuidades cercanas al pico de fondo.Otra ventaja de este
ensayo no destructivo es que se puede estimar la profundidad o
distancia desde la superficie en la cual se encuentra la
discontinuidad. Esto se puede realizar estableciendo una proporcin
de la distancia del pico del defecto mostrado con respecto al pico
de entrada y la distancia existente entre los picos de salida y de
fondo.PAGE PUNTAY ROJAS JUAN MANUELPgina 7