UTN DELTA – GRUPO de ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
CURSO de
ULTRASONIDO
NIVEL I
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Curso Ultrasonido NIVEL I
INDICE
1 - Conceptos Básicos 1.1 Movimientos Armónicos 2.1.1 Amplitud 2.1.2 Período 2.1.3 Frecuencia 2.1.4 Longitud de onda 1.2 Propagación de la onda sónica2.2.1 Movimiento de la partícula 2.2.2 Modelo elástico
2.2.3 Rango de frecuencia ultrasónica 2.2.4 Velocidad de propagación
2.2.5 Energía e intensidad acústica 2.2.6 Impedancia acústica 2 - Modos de vibración 2.1 Ondas longitudinales 2.2 Ondas transversales 2.3 Ondas de Rayleigh 2.4 Ondas de Lamb 3 - Modos de conversión 3.1 Reflexión / Refracción 3.2 Ley de Snell
3.3 Primer ángulo crítico 3.4 Segundo ángulo crítico
4 - Perfil del haz sónico
4.1 Zona muerta
4.2 Campo cercano y lejano 4.3 Divergencia
5 - Fenómenos de atenuación
5.1 Absorción 5.2 Dispersión 5.3 Difracción
6 - Generación de onda ultrasónica
6.1 Efecto piezoeléctrico 6.2 Cristal de cuarzo 6.3 Materiales Ferroeléctricos 7 - Construcción de palpadores 7.1 Palpadores normales 7.2 Palpadores angulares 7.3 Resolución - Sensibilidad 8 - Equipo Ultrasónico 8.1 Representación Barrido A
8.1.1 Diagrama de Bloque y funciones electrónicas del equipo 8.2 Representación Barrido B
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9 - Métodos de Acoplamiento9.1 Inmersión 9.2 Contacto directo
9.3 Selección de acoplante
9.4 Condición de superficie - Configuración
10 - Patrones y Bloques de Calibración
10.1 Bloques según ASME 10.2 Patrones del IIW
10.2.1 Determinación del punto de salida 10.2.2 Determinación del ángulo de refracción
11 - Calibración del Sistema de ensayo
11.1 Calibración en distancia
11.1.1 Camino sónico 11.1.2 Distancia proyección
11.1.3 Distancia proyección acotada 11.2 Calibración de Sensibilidad
11.2.1 Curvas DAC
12 - Técnicas de ensayos
12.1 Interpretación 12.2 Medición de espesores
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1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ULTRASONIDO
Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de idéntica naturaleza (mecánica - elásticas) que las ondas sónicas y se caracterizan además, por operar con frecuencias por encima de la zona audible:
Ondas Infrasónicas con frecuencia F < 16 Hz (Hertz)
Ondas Sónicas entre 16 Hz < F < 20 KHz dependiendo de su frecuencia e intensidad son audibles.
Ondas Ultrasónicas con F > 20 Khz.
El límite superior depende de la posibilidad de generación y recepción y se ha llegado hasta los 1000 MHz.
En el ensayo de materiales la frecuencia de trabajo está comprendida en el rango de 0.2 MHz a 25 MHz.
Estas ondas ultrasónicas pueden propagarse en todo medio que posee materiales (átomos o moléculas) capaz de vibrar, por lo que tendrá lugar en sólidos, líquidos o gaseosos.
No se transmiten ondas ultrasónicas en el vacío por no existir materia.
Las ondas ultrasónicas responden a un sistema de vibraciones mecánicas de parámetros localizados, es decir que un cuerpo puede ser sometido por masas concentradas y conectadas entre sí, con resortes y sometidas a fuerzas.
El principio básico de un ensayo ultrasónico es la transmisión y reflexión de ondas ultrasónicas en superficies límites de materiales con propiedades elásticas, cuya representación esquemática del sistema de ensayo es el siguiente.
El transductor o palpador posee un material piezoeléctrico que transforma impulsos eléctricos provenientes del equipo ultrasónico en vibraciones mecánicas que se transmiten a la pieza de ensayo a través de un agente acoplante.
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La perturbación generada viaja por el material con un velocidad constante y frecuencia fija, en forma de un onda elástica con transporte de energía en forma de vibraciones mecánicas y no de masa.
Si en su trayectoria encuentra una superficie límite esta onda se refleja hasta llegar nuevamente al palpador donde se transformará en un impulso eléctrico, y esta señal se mostrará en el tubo de rayos catódicos del equipo para su posterior evaluación.
1.1 MOVIMIENTO ARMÓNICO
Todo punto material sometido a la acción de una fuerza central, proporcional a la distancia del centro de atracción, responde a un movimiento vibratorio armónico. Lo expuesto significa la presencia de un fenómeno periódico de oscilación, es decir recorridos de un elemento de masa reversible en el tiempo alrededor de una determinada posición de equilibrio.
Un ejemplo de esto lo demuestra la oscilación de un elemento de masa suspendido entre dos resortes, después de quitarlo de la posición de equilibrio.
Definimos como oscilación al cambio periódico de posición de un elemento de masa. Todo movimiento armónico puede representarse mediante una ecuación que define las vibraciones sinusoidales.
1.1.1 AMPLITUD (A)
Es la máxima deflexión o desplazamiento de un partícula oscilante desde su posición de equilibrio.
La amplitud se representa con la letra A y su unidad de medida es el milímetros [mm]
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En materiales sólidos la amplitud alcanza un valor aproximado de dos millonésima de la longitud de onda.
Para determinadas oscilaciones puede mantenerse constante en el tiempo.
A esto le llamaremos oscilaciones no amortiguadas. A1 = constante
Si la amplitud decrece en el tiempo la llamaremos oscilaciones amortiguadas. Ej.:
1.1.2 PERÍODO (T)
El período de oscilación de un elemento de masa es el tiempo necesario para completar un ciclo de oscilación se simboliza con la letra T y su unidad es el segundo [s].
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1.1.3 FRECUENCIA (F)
Es el número ciclos completos de oscilación por segundo, que posee una partícula o elemento de masa.
Se la designa con la letra F y su unidad es el Hertz [Hz]. f [s-1] = Hertz [Hz] = Ciclos / segundos
Sus múltiplos son:
(Kilo Hertz)= 1 KHz = 1000 Hz (Mega Hertz)= 1 MHz = 1 000 000 Hz (Giga Hertz)= 1 GHz = 1 000 000 000 Hz.
En una onda ultrasónica la frecuencia es la misma para todas las partículas y es idéntica a la frecuencia del generador.
La frecuencia se relaciona con el período de oscilación mediante la relación: F= 1/T =[1/seg] por lo tanto T=1/F =[seg]
1.1.4 LONGITUD DE ONDA
Es la distancia entre dos puntos medios de dos zonas consecutivas en las que se encuentran partículas en igual estado de oscilación (igual velocidad y dirección) Se la simboliza con la letra λ (Lambda) y su unidad es el milímetro [mm]
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1.2 PROPAGACIÓN DE LA ONDA
La propagación de una perturbación, dentro de un material con propiedades elásticas, se manifiesta en forma de ONDA.
A diferencia de las ondas electromagnéticas como la luz ó el calor, las ultrasónicas sólo pueden propagarse en la materia y se sujeta al principio de Huyghens.
El principio considera que el área de una fuente sónica, como por ejemplo un oscilador transductor, se puede dividir en un número infinito de fuente de sonido puntiforme solapadas unas con otras.
El resultado es un frente de onda plana paralela a la superficie de emisión. Si observamos la propagación de este frente de ondas planas a mayor distancia del oscilador, vemos que el haz sónico diverge (se abre), como si fuera un haz de luz.
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En la figura observamos que cada onda esférica individual influye con otros, en el mismo plano, durante su propagación. Este fenómeno es llamado Interferencia. Como ejemplo de Interferencia tenemos el caso de suma de amplitudes diferentes en un mismo lugar, donde una nueva onda resultante puede ser amplificada, atenuada o cancelar la anterior (onda estacionaria).
Amplificación Atenuación Cancelación
1.2.1 MOVIMIENTO DE LA PARTÍCULA
Las partículas vibran alrededor de su posición de equilibrio o reposo, esto es posible debido a la existencia de una fuerza de cohesión molecular presente en todo material, estas fuerzas constituyen la conexión elástica, por lo tanto puede, en principio, formarse una onda en cualquier medio.
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Si en un material desplazamos una partícula de su posición de reposo esta experimenta una perturbación que transmitirá a las partículas circundantes. Se pone de manifiesto un estado vibratorio de las partículas que el transmitirse entre sí ponen de manifiesto la propagación del movimiento vibratorio.
Todas las partículas que vibran en un mismo instante estarán en el mismo estado de vibración y formarán un frente de onda.
Entonces, si aquellas partículas conectadas elásticamente las excitamos con una oscilación, el resultado son ONDAS.
1.2.2 MODELO ELÁSTICO
El modelo representativo de una oscilación elástica de un partícula es el péndulo o resorte.
El gráfico representa el camino recorrido, por masa sujeta al extremo del resorte, en función del tiempo. Si la fuerza elástica suministrada aumenta, aumentará proporcionalmente el desplazamiento.
Si ahora imaginamos un cuerpo donde todas las partículas individuales se mantienen en posición mediante fuerzas elásticas podremos representar el modelo elástico de un cuerpo en dos o tres dimensiones. Modelo Elástico en dos dimensiones de un cuerpo.
Modelo elástico en dos dimensiones de un cuerpo
Si este cuerpo es sometido a esfuerzos de compresión o tracción, por debajo del límite elástico, la perturbación viajará por el material con una velocidad que le es propia y la perturbación así presentada es una onda elástica.
Estas ondas son el producto de descomposiciones de zonas de mayor presión acústica o zonas bajas o nula presión acústica.
El Modelo elástico no es aplicable a materiales en estado líquido o gaseoso ya que las partículas individuales no están sujetas a una posición, pero esto sí pueden transmitir ondas elásticas en forma de sobrepresiones y depresiones por choque de partículas.
1.2.3 Rango de frecuencias ultrasónicas
El sonido se caracteriza por corresponder a determinados límites de frecuencia y de presión o intensidad sonora que son las variables que permiten reconocer el área normal de audición gráficamente es:
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La inferior o umbral de audición y la superior o umbral de dolor, el área encuadrada por las dos curvas es la región del sonido audible.
En el espectro auditivo ubicamos la región de los END en el rango de las ondas lejanas. Comenzando desde los 0.5 Mhz. para estructuras cristalina al estado sólido como el caso de metales.
La frecuencia de uso más común en los END son:
0.5 MHz. - - 1 MHz. -- 2 MHz - - 4 MHz. - - 6 MHz. - -10 MHz
1.2.4 VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN
La velocidad de propagación o velocidad acústica es: "La velocidad de propagación de la onda en un material dado".
Se simboliza con la letra "C" y su unidad es el metro/segundo. C [m/seg.]
Es constante para cada material por tanto la velocidad es una característica del mismo para cualquier frecuencia y longitud de onda.
Se puede calcular las velocidades de los diversos tipos de onda a partir de las constantes elásticas del material que es Módulo de Elasticidad E [N/m²] la relación de Poisson (adimensional) y de la densidad [kg/m3] .
Para el cálculo de la velocidad acústica en materiales sólidos se desprecia la temperatura ,presión.
Para los gases y líquidos la velocidad depende de los estados, presión y temperatura La diferencia entre velocidad acústica C y la velocidad instantánea de vibración V [m/seg], es que ésta última indica la velocidad propia de la partícula oscilante.
Densidad 103 Kg/M3 Velocidad Acustica [m/s] Material Vl long. Vt.trans Impedancia Acustica 106 .Kg/m2.s AIRE 0.00129 331 0.000427
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ACERO 7,85 5900 3230 46.5 ALUMINIO 2,7 6320 3080 17 FUNDICIÓN 7,2 3500 –5600 2200 -- 3200 25 -- 40
COBRE 8,9 4700 2260 42
La velocidad acústica se relaciona con la longitud de onda y la frecuencia mediante la expresión que tenemos a continuación.:
] [mm f C = = λ observamos que:
Con el aumento de la frecuencia (f) disminuye la longitud de onda (λ). Disminuyendo la frecuencia (f) aumenta la longitud de onda (λ).
Como vemos estableciendo una frecuencia de ensayo obtendremos una longitud de onda para un determinado material, lo cual me permite relevar indicaciones hasta
una dimensión de λ/2 (media Lambda).
En la siguiente tabla se dan los valores de longitud de onda en agua y acero para las utilizables en la práctica
F (MHz) 0,5 1 2 2,5 4 5 6 10 λL (mm) AGUA 3 1,5 0,75 0,6 0,36 0,3 0,25 0,15
λL (mm) ACERO 12 6 3 2,3 1,5 1,2 1 0,6
1.2.5 PRESIÓN ACÚSTICA (P)
Ondas Longitudinales La presión acústica es fuerza por unidad superficie normal a la de superficie de la onda.
Ondas Transversales Fuerza cortante por unidad de superficie paralela a la superficie
de la onda (Presión acústica)
La Altura de Indicación de un eco está relacionada con la Presión acústica proporcionalmente (equipos pulso - eco)
En zonas de gran densidad de partículas existe una alta presión y en zonas baja densidad de partículas una baja presión. A estas presiones alternativas se las denomina Presión Acústica
Esto ocurre en sólidos, líquidos y gaseosos. A la desviación máxima de la presión con respecto a la presión cero se la denomina "Amplitud de la Presión Acústica (P)" y se relaciona con la Amplitud de oscilación (A).
La manera de representar estas relaciones de amplitudes en ultrasonido es el decibel [dB]
Para amplitudes con una presión acústica P, se aplicará la siguiente ecuación:
α [dB] = 20 log Po/P1
Po = presión inicial
P1 = presión al cabo del tiempo t. Ej: La relación de amplitudes en [dB] entre las amplitudes:
Po y P1 => decibeles = 20 log Po/P1 = 20 log 1/0,5 = 6 dB Po y P2 => decibeles = 20 log Po/P2 = 20 log 1/0,25=12 dB
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1.2.6 IMPEDANCIA ACÚSTICA
"Es la relación entre la presión acústica y la velocidad máxima de vibración".
Z = P / C [Kg/m²seg]
Valores para ondas planas y esféricas. Baja Z
Acústicamente blandos
Los elementos de masa vibran a más velocidad (poca resistencia a la deformación).
Elevada Z
Acústicamente duros
Los elementos de masa vibran más lento, el medio ofrece resistencia a la deformación elástica.
Z =indica cuanto se opone a la vibración los elementos de masa, pero no a la propagación de la onda.
La forma más simplificada es: Z = δ. C [Kg/m²seg]
Donde la densidad es una constante del material Z sólido > Z líquido > Z gaseoso
Acero Z = 45 x 10 6 [Kg/m²seg] Aluminio Z = 17 x 10 6 [Kg/m²seg] Agua ( H2O) Z = 1,5 x10 6 [Kg/m²seg]
Perspex – Plexiglas Z = 3,2 x 10 6 [Kg/m²seg] Aire Z = 0,000398 x10 6 [Kg/m²seg] Fundición (Fe-C ) Z = 25 - 40 x 10 6 [Kg/m²seg]
No tienen impedancia acústica la Sal de Rochela corte 45° Y - y el agua de mar.
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2. MODOS
DE
VIBRACIÓN
Según la relación entre la dirección de oscilación de la partícula y la dirección de propagación de la oscilación, se originarán distintos tipos de Modos de Vibración.
• Ondas Longitudinales (OL) • Ondas Transversales (OT) • Ondas Superficiales (OS) • Ondas de Lamb.
2.1 ONDA LONGITUDINAL (OL):
"Las oscilaciones de las partículas ocurren en la dirección de propagación de la onda" Son Onda de presión ó compresión u Onda de Densidad
Son llamadas ondas de compresión dado que origina zonas de compresión y descompresión con respecto a la presión normal.
Es una onda de carácter audible, transmite las oscilaciones a través del aire, también los líquidos
2.2 ONDA TRANSVERSAL (OT):
"La oscilación de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda ultrasónica"
Dado que los esfuerzos presentes tienden a deslizar los planos de partículas entre sí también se las llama onda de corte y se transmiten en cuerpos sólidos
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Gases y líquidos son incapaces de ofrecer resistencia al deslizamiento transversal; cuyo módulo de elasticidad transversal G=0.
Salvo líquidos viscosos que tienen módulo complejo de elasticidad transversal
• La longitud de onda está dada por la distancia entre dos puntos consecutivos que han alcanzado su máximo alejamiento de la posición de equilibrio.
• Se obtiene ondas transversales cuando el haz sónico incide en el material con un cierto ángulo.
• La presión acústica: es la fuerza en ángulo recto por unidad de superficie, para onda longitudinal OL):
Para onda transversal, fuerza cortante es la fuerza por unidad de superficie paralela a ella.
La única diferencia es la dirección, para medios ilimitados sin contornos.
La presión acústica y el movimiento de partículas no están en fase, sino desfasadas un cuarto de período.
2.3 ONDA DE SUPERFICIE (RAYLEIGH)
"Se propaga en la periferia plana o curva de un sólido" La deformación no es
sinuosidad (Ej: ondas en agua por acción de fuerzas gravitacionales); la propagación de oscilación es elíptica.
• A una longitud de onda las partículas están casi en reposo, dentro del material. • Se la considera como un tipo especial de onda transversal.
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• La velocidad de propagación (c) es independiente de la frecuencia es una C constante del material, como en ondas longitudinales y transversales. • Sólo puede variar por el estado de tensión de la superficie:
En tracción aumenta la velocidad C En compresión disminuye la velocidad C
• La oscilación de las partículas son normales a la dirección de propagación".
• Se obtiene el ángulo de Incidencia del haz ultrasónico sobre el material tiene aproximadamente el 2do ángulo crítico de refracción
2.4 ONDAS LAMB: (ONDAS DE CHAPA)
Se producen cuando el espesor de la lámina o hilos delgados del elemento a inspeccionar es del orden de la longitud de onda, es decir vibran en conjunto". Las partículas oscilan en ángulo recto a la superficie. (Presentan componentes de oscilación de partículas en ángulo recto a superficie)
Es posible infinitos modos de vibración, pero son conocidas 2 fundamentales: 1)- Onda Simétrica ó dilatación.
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3.5 VELOCIDAD DE LA ONDAS ACÚSTICAS
Se puede calcular la velocidad de cualquier tipo de onda a partir de las siguientes constantes elásticas del material:
• E = módulo de elasticidad [N/m²] 1 Kp/mm² = 0,98 107
N/m²
• µ = Relación de poisson [a dimensional] • G = Módulo de Elasticidad transversal
Onda Longitudinal: ] seg / m [ ) 2 1 )( 1 ( ) 1 ( E CL = µ − µ + δ µ −
= en caso de piezas de poco
diámetro:CL E =[m/seg] δ = Ondas Transversal: ] seg / m [ ) 1 .( 2 . E CT = µ + δ
= en caso de piezas de poco diámetro: [m/seg] .
G
CT =
δ =
Ondas de Superficie (OS) según fórmula aproximada de Bergmann
) 1 .( 2 . E 1 12 . 1 87 . 0 CS µ + δ µ + µ + =
como µ (acero) = 0.28 µ (aluminio) =0.34
CT/CL= 0.55 ( acero) CT/CL= 0.49 ( aluminio) Ondas Lamb :
Dependen del producto el espesor de material y la frecuencia, además de las constantes elásticas del material.
Para ello se utilizan gráficos (Krautkramer o Firestone) Tienen comportamiento de onda transversal en zona muerta En medios limitados son conocidas como ondas de barra. Puede producirse ondas de torsión, dilatación, flexión, radiales.
"La velocidad (c) de propagación no es constante del material, depende de: • Espesor
• Frecuencia
• Modo y tipo de onda
Ondas Simetricas
Ondas Asimetricas
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3. MODOS
DE
VIBRACION
La propagación de una onda acústica, en cualquier material que presenta superficies límites ó contornos (cuerpo), sufrirá una alteración.
Consideramos superficie límite a aquella que separa dos medios, con propiedades elásticas diferentes (diferentes velocidades de propagación).
Si un frente de onda alcanza una superficie límite entre dos medios ‚esta será reflejada, transmitida ó refractada en forma parcial o total.
3.1 REFLEXIÓN
Si una onda incide en forma Normal a una superficie plana y suave (especular), que separa dos medios diferentes, una parte de la energía de la onda se refleja y vuelve en la misma dirección y la otra parte pasa al otro medio manteniendo su dirección y sentido.
La proporción de onda transmitida y reflejada dependerá de la Impedancia acústica Z de los medios.
Medio 1 Z1 = ρ.C1
Medio 2 Z2 = ρ.C2
Poniendo en juego la intensidad acústica (I) de la onda ultrasónica incidente podremos calcular la cantidad de energía que es reflejada multiplicando la intensidad acústica por el coeficiente de reflexión (r), como también conocer la energía transmitida al segundo medio, multiplicando la intensidad acústica por el coeficiente de transmisión (T). Ambos coeficientes son a dimensionales y se expresan en %, como relación a la Intensidad de la onda incidente,
Coeficiente de Reflexión = R = Ir / Ii
Coeficiente de Transmisión = T = It / Ii
donde: Ii = Intensidad acústica incidente
Ir =Intensidad acústica reflejada
It =Intensidad acústica transmitida
El balance de energía puesto en juego estará dado por la siguiente expresión: Ii = Ir + It donde la relación de coeficientes será:
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A través de la teoría de la propagación de ondas acústicas, se obtienen, los valores de los coeficientes según las impedancias acústicas de la manera siguiente:
(
)
(
)
(
Z Z)
Z Z 4 T de coefiente el y , Z Z Z Z R 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 + = + − =Estas relaciones son según las Intensidades acústicas, donde se observa que no interesa de que lado incide el haz sónico, pues no cambian los valores de los coeficientes en la perturbación de Z1 y Z2.-
En la técnica de pulso-eco, que se emplea comúnmente en el ensayo de materiales, es de interés conocer la amplitud de la presión acústica reflejada (PT) que es la que determina la altura de eco de la indicación de un reflector.
Teniendo en cuenta el razonamiento anterior, podemos ahora determinar los porcentajes de presión acústica.
Relaciones según Presión acústica serán:
1 2 1 2 ' Z Z Z Z P P R i r + − = = 1 2 2 ' 2 Z Z Z P P T i T + = =
Relaciones según Intensidad acústica serán
(
)
(
)
(
Z Z)
Z Z 4 T de coefiente el y , Z Z Z Z R 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 + = + − =En ondas transversales para superficies límites Sólido -Sólido. Dado que la altura de la Indicación del eco en pantalla de TRC depende de la presión acústica, se utilizan los coeficientes de Reflexión (R') y Transmisión (T') de la presión acústica.
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Si una onda incide oblicuamente en una superficie que limita dos medios, se producen ondas reflejadas y refractadas.
El ángulo de refracción (ó transmisión) depende del ángulo de incidencia y de las velocidades acústicas de los medios.
También en la incidencia oblicua puede ocurrir transformación de onda (de Oi a Ot y viceversa), como así desdoblamiento de la onda reflejada y transmitida.
De una onda long.incidente se obtiene 4 ondas cuando los medios son sólidos En este caso la onda incidente transversal esta polarizada en el plano incidente.
Caso contrario el desdoblamiento es más completo.
Las ondas transversales, resultantes se encuentran polarizadas en el plano incidente, es decir la dirección en que vibran sus elementos materiales están en el mismo plano que forma la dirección de propagación de la onda incidente con la normal a la superficie.
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2 1 2 1 C C ) ( Sen ) ( Sen = α αSi la onda incidente y reflejada son del mismo tipo, forman el mismo ángulo. Con la normal a la superficie. Ej.
Dado que la velocidad de las ondas transversales es menor que las longitudinales; los ángulos de reflexión o refracción de las ondas longitudinales es mayor que las
transversales αrL > αrT
αtL > αtT
En líquidos o en gases no se transmite OT por lo tanto el proceso es más simple.
3.3 PRIMER ANGULO CRÍTICO
1er ángulo crítico :En cuerpos sólidos se hace desaparecer la OL refractada en el medio
2 quedando OT solamente.
Ej. Perspex / Acero 25,6° 1er
ángulo crítico 61° 2do
ángulo crítico sen αiL = (CL1 / CL2). sen 90° 1er ángulo crítico
3.4 SEGUNDO ANGULO CRÍTICO
Utilizado para obtener ondas de superficie, donde se obtienen la máxima transmisión con ángulos de incidencia ligeramente mayor que el ángulo crítico.
Ej. Perspex / Acero 61° 2do
ángulo crítico sen αi L = (CL1 / CT2) sen 90° 2do ángulo crítico
En el medio 1 se puede obtener una transformación completa en la reflexión de OL -> OT ó OT -> OL para lo cual se debe cumplir
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4.
PERFIL DEL HAZ SONICO
Para la realización del ensayo por ultrasonido el conveniente tener noción de la forma del haz ultrasónico que se está transmitiendo a la pieza que se desea inspeccionar, es decir, conocer si dicho haz tiene una forma estrecha y concreta, o si es muy divergente. El conocimiento de éstas características del perfil del haz sonoro, van a tener influencia en la sensibilidad del ensayo.
4.1 ZONA MUERTA
Se define como zona muerta de un palpador que genera un haz ultrasónico para el ensayo de materiales, a la distancia de la base de tiempo del equipo ocupada por la señal de emisión, dentro de esta zona no será posible detectar discontinuidades.
El ancho de la zona muerta, es función de la duración del impulso de excitación del cristal. En la Fig. 5.1, se observa la ubicación de la zona muerta de un palpador en la
pantalla del equipo.
4.2 CAMPO CERCANO Y CAMPO LEJANO
A continuación analizaremos las características del campo ultrasónico de un oscilador en forma de disco, el cual puede ser considerado, en la formación del haz ultrasónico, como un conjunto de numerosos cristales elementales, que excitados simultaneamente, cada uno contribuye a la formación del haz.
En la Fig. 5.2 A se muestra la intensidad de la presión a lo largo del eje del haz en función de distancia del emisor.
• z = distancia en el material • p = presión en unidad arbitraria • N = extremo del campo cercano
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Como se ve, se pueden distinguir claramente dos zonas en el recorrido del haz sónico. Una próxima al cristal emisor, llamada campo cercano, en la cual hay grandes
variaciones de presión máximas y mínimas.
En consecuencia podemos decir que la distancia en que la presión sonora tiene un valor máximo final y comienza a decrecer en forma uniforme se define como campo lejano N, que es función del diámetro del cristal y de la longitud de onda Lambda.
λ = . 4 D N 2
D = diámetro del cristal , N =Longitud de Campo Cercano, λ = Longitud de onda
Dentro del campo cercano, no es posible dimensionar un defecto, debido a las grandes variaciones de la presión acústica.
Al campo cercano, le sigue el de transición, donde la presión decrece en forma continua con el recorrido, y a partir de allí el haz adquiere una forma de tronco cónica divergente, donde recién en el campo lejano la presión acústica decrece inversamente con la distancia desde el centro hacia los bordes, con lo cual, se puede definir el campo lejano, a la zona continua al campo cercano donde a causa de la divergencia el haz comienza a abrirse.
Prácticamente se puede representar el campo sonoro en forma simplificada, mostrando el campo de transición y lejano, por un tronco de cono formado por rayos marginales de una determinada presión con respecto al rayo principal del oscilador. En la Fig. 5.2 B se observa la manera simplificada de representar la forma del campo sonoro en un oscilador.
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Figura 5.2B
N = Longitud del campo cercano D = Diámetro del cristal
γ = Angulo de divergencia del haz. Dhaz= Diámetro del haz.
4.3 DIVERGENCIA
Como se dijo anteriormente, a partir del final del campo cercano, el haz adquiere un forma de tronco de cono divergente con disminución de la presión gradualmente con la distancia.
La divergencia del haz se describe por el ángulo de divergencia (Ver Fig. 5.2. B) formado por el rayo principal (máxima presión) y el rayo marginal.
Generalmente este ángulo de divergencia está referido con respecto a un rayo marginal de una determinada presión acústica, y se lo puede calcular mediante las siguiente formula: D 22 . 1 ) ( sen γ = λ
El ángulo de divergencia, junto con el valor del campo cercano, caracterizan al haz ultrasónico.
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5 - FENOMENOS DE ATENUACION
En los materiales sólidos, se da lugar a un efecto más o menos pronunciado de atenuación del ultrasonido debido a dos causas fundamentales: la dispersión y la absorción.
Es decir la suma de los efectos de absorción y dispersión da por resultado las pérdidas por amortiguamiento, resultante de la interacción del onda sonora y el material.
Otro motivo de la atenuación del haz, es que al divergen, la intensidad del mismo o sea la presión ultrasonora disminuye en razón inversa al cuadrado de la distancia, medida al punto de entrada del haz de ultrasonido en el material considerado.
5.1 ABSORCION
La absorción es una conversión directa de la energía ultrasónica en calor
Esta pérdida de energía se asemeja a una acción de frenado de la oscilación de las partículas, lo cual explica también porque una oscilación rápida pierde más energía que una oscilación lenta.
La absorción aumenta generalmente con la frecuencia. Podemos decir también que la absorción pura debilita la energía transmitida a la amplitud del eco, tanto de la heterogeneidad como de la pared de fondo. Este efecto puede ser corregido en un ensayo por ultrasonido, con el empleo de frecuencias bajas.
5.2 DISPERSION
Las pérdidas por dispersión son debidas principalmente a la falta de homogeneidad de los materiales, a sus características anisótropicas y a la relación existente entre el tamaño de grano del material y la longitud de onda. Cuando el tamaño de grano es del orden de λ/10, o mayor, las pérdidas por dispersión alcanzarían valores importante, provocando paralelamente innumerables señales de ecos que originan "ruido" o "pasto" en la pantalla del equipo llegando a niveles que hacen imposible identificar una señal de defecto.
5.3 MEDIDA DE LA ATENUACION
La atenuación es medida en términos de la energía perdida por unidad de longitud es decir en Decibeles /metros y estos valores oscilan entre 10 dB/m para aluminio hasta 100dB/m para algunas fundiciones, plásticos o concreto. La atenuación es altamente dependiente de la frecuencia utilizada, la naturaleza de los materiales que se esta inspeccionando, las condiciones de contorno y de la forma de onda ( plana u otras).
Naturaleza del Material Atenuación [dB/m]
Causa principal de
atenuación
Acero Normalizado 70 Dispersión
Aluminio 6061 T6511 90 Dispersión
Acero Inoxidable 3XX 110 Dispersión / Re-dirección
Plástico 380 Absorción Para una frecuencia de 2.25 MHz - onda longitudinal
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6. GENERACION
DE
ONDAS ULTRASONICAS
Para la generación y recepción de las ondas de ultrasonido, se puede recurrir a diversos fenómenos físicos, de los cuales dos son los más utilizados en los ensayos no
destructivos de materiales son.
• Efecto piezoeléctrico • Efecto magnetoestrictivo
6.1 EFECTO PIEZOELECTRICO
El fenómeno piezoeléctrico fue descubierto en el año 1880 por los hermanos Curie . Esta cualidad de ciertos materiales, básicamente consiste en la habilidad de transformar energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Es decir que si un material
piezoeléctrico se deforma mediante una presión mecánica externa, aparecen unas cargas eléctricas en su superficie. El fenómeno inverso consiste en que si este material se coloca entre dos electrodos, cambia su forma si se le aplica un potencial eléctrico. Al primer efecto explicado, se lo denomina efecto piezoeléctrico directo y se lo aplica para medir presiones, deformaciones y oscilaciones, que para el ensayo no destructivo de materiales es utilizado como receptor del ultrasonido.
Al segundo fenómeno, se lo conoce como efecto piezoeléctrico recíproco, el cual se aplica para generar presiones, deformaciones y oscilaciones, por lo que se lo emplea para emitir ondas de ultrasonido.
El efecto piezoeléctrico, es el más utilizado para hacer ondas ultrasónicas de frecuencia superior a los 100 Khz, ya que con cris-tales pequeños de pocos milímetros de espesor se logran dichas frecuencias y campos ultrasónicos adecuados para la ejecución de ensayos no destructivos en la mayoría de los materiales.
El otro fenómeno físico para la generación de ondas de ultrasonido, como ya se dijo es el efecto magnetoestrictivo, este efecto al igual que piezoeléctrico, es la capacidad de ciertos materiales para cambiar su forma bajo la influencia de un campo magnético. El efecto magnetoestrictivo es también recíproco, de manera que es idóneo tanto para la generación como para la recepción de ondas ultrasónicas.
6.2 CRISTAL DE CUARZO
El efecto piezoeléctrico se presenta en muchos materiales, pero el más antiguo de los utilizados para la generación de ondas ultrasónicas es el cuarzo.
En la Fig. 7.2 se representan las posiciones de los ejes de un cristal de cuarzo natural.
Los cristales de cuarzo se encuentran en la naturaleza generalmente en forma de prisma hexagonal con una pirámide en cada extremo, aunque pueden presentar otras formas diferentes a la mencionada.
Corte Longitudinal
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Al eje "Z" se lo llama, eje óptico, al eje "X" se lo denomina eje eléctrico y al eje "Y" se lo conoce como eje mecánico.
Por consiguiente se puede decir que de acuerdo al tipo de corte que se le practique al cristal de cuarzo natural, se obtendrán cristales piezoeléctricos de corte en X ó en Y, lo que se traducirá en definitiva en la generación de distintos tipos de onda.
Las características fundamentales del cristal de cuarzo son que es muy duro y resiste al desgaste, es térmica y eléctricamente estable, y es insoluble en muchos líquidos. Como limitaciones a su uso se puede decir que tiene un módulo piezoeléctrico bajo, lo que califica como mal emisor.
6.3 MATERIALES FERROELECTRICOS
Algunas pastillas de materiales cerámicos, como el titanato de bario, el zirconato de
plomo y el metaniobato de plomo, oportunamente polarizados con una tensión continua y luego sometidos a un campo eléctrico, se comportan análogamente a los materiales piezo - eléctricos: vibran mecánicamente con frecuencia propia, dependiendo de su composición y del espesor.
Este comportamiento debido a la presencia de cargas orientables con un campo eléctrico externo se llama ferroelectricidad, por el similar comportamiento de los materiales ferromagnéticos expuestos a un campo magnético.
Estos tipos de pastillas son utilizados también en la fabricación de los palpadores para generar ondas ultrasonicas para la realización de ensayos no destructivos de materiales. Estos cristales cerámicos, se obtienen por sinterización, son de color blanco amarillento y poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.
El titanato de bario posee un módulo piezoeléctrico elevado, lo que lo califica como buen emisor, tiene resistencia mecánica baja y por su frecuencia característica baja, está limitado su empleo para frecuencias por debajo del 15 MHz.
El metaniobato de plomo posee también un módulo piezoeléctrico elevado, lo que lo califica como buen emisor, y al igual que el cuarzo presenta estabilidad térmica, siendo indicado para ensayos a temperatura, su empleo está limitado para la realización de ensayos a frecuencias altas.
El sulfato de litio, también se utiliza para la generación de ondas de ultrasonido, se lo obtiene por cristalización.
Las ventajas principales de los cristales de sulfato de litio residen en su facilidad de proporcionar una amortización acústica óptima, mejorando el poder de resolución y de poseer un módulo piezoel‚ctrico medio lo que lo califica como buen receptor.
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7
-
CONSTRUCCION DE PALPADORES
Los palpadores constituyen una de las unidades básicas del equipo de ultrasonido y se debe considerar para integrante del mismo, ya que de este conjunto dependerán las características y cualidades del haz que se van a transmitir al material que se desea ensayar.
Por supuesto, el oscilador o cristal constituye el elemento clave del palpador, cuyo diseño es importante, pero no menos importante son el resto de los elementos
constitutivos del palpador para modificar las características emisoras y receptoras del oscilador.
Debido a la diversidad de técnicas de ensayo que se emplean se dispone de una variedad de tipos de palpadores, que se pueden agrupar en dos grandes grupos:
• Palpadores de contacto • Palpadores de inmersión.
Los palpadores de contacto se aplican directamente a la superficie de la pieza a ensayar, interponiendo en medio de acoplamiento entre ambos.
Según la dirección de propagación del haz con respecto a la superficie de la muestra estos palpadores de contacto se clasifican a su vez en palpadores de incidencia normal y en palpadores angulares.
En cambio en los palpadores de inmersión la transmisión del ultrasonido desde el palpador a la muestra se efectúa a través de una columna de líquido, generalmente agua, es decir sin contacto directo ni presión ni rozamiento entre el palpador y la superficie de ensayo.
7.1 Palpadores
Normales
Se los emplea en los equipos que operan por los métodos de impulso eco, de
transparencia y de resonancia, y se aplican a problemas de defectología, metrología y caracterización.
La mayoría de estos tipos de palpadores llevan incorporado osciladores diseñados para emitir ondas longitudinales.
Según el número de oscilaciones o cristales que llevan incorporado, se consideran los siguientes tipos:
• Palpadores de cristal único, emisor y receptor (es decir que el mismo cristal emite y recibe las ondas ultrasónicas emitidas)
• Palpadores de cristal doble, uno emisor y otro receptor. • Palpadores de cristal múltiple.
7.1.1
Palpadores de Cristal Único (Emisor - Receptor)En la Fig.8.1 A se observa el esquema de la forma constructiva de un palpador de este tipo.
Además del cristal piezoeléctrico (a), consta de una caja o montura metálica (b) que protege el conjunto, el amortiguador (c) del cristal, el cable conductor eléctrico (d) y la conexión (e).
El amortiguador es un elemento indispensable en los palpadores empleados en los equipos que operan por el método de pulso eco, su función es reducir el tiempo de oscilación del cristal, absorber las ondas espurias que puedan interrumpir en el oscilograma y soportar mecánicamente el cristal.
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7.1.2.1
Palpadores De Doble Cristal Emisor Receptor SeparadosPara evitar los inconvenientes que se presentan con la zona muerta del palpador, donde como ya dijimos no es posible detectar heterogeneidades, es que se han diseñado palpadores con cristal doble, donde uno actúa como emisor de las ondas ultrasónicas y el otro como receptor de las mismas.
Su configuración se muestra en la Fig. 8.2 B.
FIGURA 8.2 B
Los cristales están perfectamente aislados eléctrica y acústicamente.
Ambos cristales se montan con una cierta inclinación sobre una columna de plástico que produce un efecto focalizador que concentra al haz de sonido para conseguir mayor sensibilidad en la proximidad de la superficie.
Mediante este artificio se consigue que por efecto del trayecto previo en plástico, la indicación de la señal de emisión quede muy separada de la indicación del eco del defecto.
Mediante el uso de este tipo de palpadores y con equipos adecuados se pueden medir espesores y detectar defectos a partir de una profundidad equivalente a una longitud de onda.
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Otra de las ventajas que ofrecen estos palpadores de cristal doble es la posibilidad de utilizar los cristales más adecuados, como ser uno de titanato de bario que es buen emisor y el otro de sulfato de litio que es buen receptor de las ondas de ultrasonido.
7.1.2
Palpadores De Cristal Múltiple:
Están diseñados para cubrir determinadas aplicaciones especiales tales como: • Medida de espesores en varios rangos, simultáneamente,
• Examen de superficies curvas • Examen de muestras grandes.
- En el primer caso, los palpadores son del tipo E – R, descritos en el apartado anterior, pero modificados en el sentido de incorporar varios cristales emisores y receptores en la misma unidad, con diferentes inclinaciones y frecuencias.
- En la figura 3.63 ( a ) se representa el esquema de un palpador de cristal múltiple adecuado para el examen de muestras a través de superficies cóncavas. Está constituido por varios cristales dispuestos en mosaicos y montados sobre un adaptador de plástico que hace el efecto de lente, con lo que se consigue un haz prácticamente sin divergencia.
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El palpador representado en la figura 3.63 (b) reponde a la misma finalidad y resulta apropiado para el examen de tubos, de forma que se evita la formación de ondas superficiales que dificultan la interpretación
En la figura 3.63 ( c ) se representa un palpador de cristal múltiple diseñado para el examen de inmersión de muestras grandes. Por su constitución da a lugar a un haz muy ancho, de manera que, en cada recorrido, se puesde explorar una banda de has ta 120 mm de anchura. Con un palpador de este tipo, de 5 MHz de frecuencia, se pueden detectar, en aluminio, heterogeneidades equivalentes a taladros de fondo plano de hasta 1,6 mm de diámetro y con una fluctuación máxima de un 15 % en la altura de la indicación del eco a lo largo de los 120 mm de anchura del haz.
7.3 Palpadores para Ensayos a Alta Temperatura:
Los palpadores convencionales no se pueden emplear a temperaturas fuera del intervalo comprendido entre – 20 y + 80ºC, debido a que los adhesivos
convencionales, empleados para unir el cristal al amortiguador, se pueden dañar y anular el efecto de este último.
El propio cristal se puede afectar con la temperatura, especialmente si es de sulfato litio o de titanato de bario, con los puntos de Curie de 75 y 115ºC, respectivamente. Para ensayos a temperaturas elevadas,es preciso utilizar cuarzo o metaniobato de plomo, cuyos puntos de Curie están por encima de los 500ºC. Como amortiguador y adhesivo se utilizan resinas de moldeo capaces de soportar temperaturas de hasta 350ºC. A temperaturas superiores reulta muy difícil conseguir una amortiguación adecuada, por lo que es preciso interponer entre el palpador y la muestra de ensayo un adaptador que pueda ser refrigerado.
Los palpadores tipo E – R especialmente diseñados para medida de espesores a alta temperatura, requieren un medio de acoplamiento especial. Se deben aplicar sobre la superficie de ensayo durante breves fracciones de segundos, lo suficiente para obtener una lectura en el equipo de medida, refrigerándolos adecuadamente en tre dos medidas consecutivas.
7.4
Palpadores Angulares de Ondas Longitudinales y de Ondas Transversales.
Ya fueron estudiados las leyes que rigen la refracción de las ondas ultrasónicas al incidir angularmente en una superficie límite entre dos medios 1 y 2 ademas quedó establecido, que una onda longitudinal con incidencia angular sufre un
desdoblamiento, que da lugar a que en el medio 2 se propaguen, simultáneamente, una onda longitudinal y otra transversal..
Por ejemplo, en el caso de una superficie límite agua – aluminio ( ensayo por inmersión), si el ángulo de la onda longitudinal incidente se mantiene en valores inferiores a 13,56º, se propagarán en la muestra de aluminio ondas longitudinales oblicuas cuya presión acústica decrecerá a medida que aumenta el ángulo de incidencia.
Existe, por tanto, la posibilidad de ensayo de los materiales mediante ondas
longitudinales oblicuas, si bien esta técnica tiene una aplicación más restringida, pero completaria a la de las ondas transversales.
Los palpadores angulares de contacto consisten, en esencia, en un oscilador de ondas longitudinales, aplicado a una de las caras de un prisma de plástico ( generalmente de perspex ), tallado con un ángulo de refracción o de penetración que se desea para un material dado de la muestra de ensayo.
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El diseño del prisma es sencillo y, a título de ejemplo, describiremos el
correspondiente a los palpadores angulares de ondas transversales por ser de empleo más extendido.
a) Angulos de Incidencia y de Refracción:
De las leyes de refracción, se deduce que siempre que CL1 ≤ CL2 y CT1 ≤ CL2 , existe
un ángulo de incidencia limite por encima del cual dejan de coexistir los dos diferentes modos de onda en el medio 2, quedando sólo la onda transversal. En
efecto, en el caso de una superficie límite agua – aluminio ( ensayo por inmersión ), ese ángulo de 13,56º, para cuyo valor la transmitancia del eco de la onda
longitudinal es nula,
A) Elementos del Palpador:
Se representan en la figura 3.64. El cristal piezoeléctrico ( 1 ) se monta sobre un prisma de plástico ( 2 ) por intermedio de una capa muy fina de adhesivo. En
general, no se utiliza amortiguador adosado a la cara posterior del cristal, puesto que el efecto del propio prisma de plástico suele ser suficiente para mantener los
impulsos cortos y la consiguiente buena resolución del palpador. La sustancia amortiguadora ( 3 ) se utiliza, en estos palpadores, para evitar que las reflexiones internas en el prisma vuelvan al cristal ( método de impluso – eco ). Suele consistir en resinas o caucho vulcanizado a los que se añaden cargas apropiadas ( dióxido de manganeso, corcho, limaduras metálicas, etc ) para elevar su coeficiente de
atenuación. Además, se suele recurrir a mecanizar en diente de sierra la superficie del prisma en contacto con el amortiguador ( 3), lo que contribuye a la dispersión de las ondas reflejadas. En ensayos a altos niveles de ganancia, las perturbaciones provocadas por estas reflexiones pueden no llegar a eliminarse totalmente, especialmente cuando existan ondas que vuelvan directamente al cristal como consecuencia de la rugosidad de la superficie de exploración.
El conjunto va montado en un protector metálico ( 4 ), provisto de la correspondiente conexión ( 5 ).
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Elegido el ángulo de incidencia adecuado al ángulo de refracción o de penetración deseado en la muestra de ensayo, las dimensiones del prisma vendrán dadas, en principio, en función del ángulo de incidencia. Tal como se deduce de la figura 3.64 cuanto mayor sea el ángulo de incidencia, mayor deberá ser la longitud del prisma y su anchura, a fin de que la sección del haz ultrasónico quede inscrita en la car del contacto del prisma con la muestra. También la altura del prisma aumenta por razones puramente geométricas, al tener que mantener constante la superficie donde va adosado el cristal oscilador.
En consecuencia, el punto de la cara activa del prisma, donde la presión acústica es máxima, se debe considerar como punto de salida del eje del haz. Este punto se debe determinar cuidadosamente para poder deducir, por ejemplo, la posición de una heterogeneidad, ya que a partir de ese punto se toman las distancias de recorrido del impulso acústico; pero, además, se utiliza para determinar el ángulo real de
refracción del palpador. En otro capitulo se describira un procedimiento práctico para determinar ambas características del palpador y la posición de una
heterogeneidad detectada mediante un palpador angular.
Una vez determinada la posición del punto de salida del eje del haz, se puede marcar en los flancos de la montadura del palpador o, como ocurre en algunos casos, viene señalada ya directamente del constructor. Sin embargo, el uso del palpador, es decir, los posibles desgastes no uniformes de la cara de contacto del prisma, puede hacer que varíe la posición del punto de salida del eje del haz e incluso el ángulo de refracción. Si el desvío respecto a las condiciones originales es grande, será preciso modificar la posición de la señal de referencia o, incluso, proceder a la reparación del palpador mediante un suplemento, por ejemplo de perspex, que se adhiere fácilmente a la cara desgastada.
C) Materiales de los Prismas:
Hemos citado repetidamente el perspex ( metacrilato de metilo ) como material de los prismas. De hecho, es el más utilizado, permite construir prismas que, para muestras de aluminio, tienen una eficacia de hasta el 60 % debido a la pequeña diferencia de impedancias acústicas entre ambos medios. Por esta razón, sería preferible utilizar prismas de plomo para el examen de muestras de acero, pero la capa líquida necesaria para asegurar el contacto acústico entre la muestra y el palpador, hace que esta ventaja se anule prácticamente. Se han intentado otras soluciones, como mezclas de plásticos con cargas metálicas o láminas alternadas de resina epoxi y metales. Sin embargo, estas posibles mejoras no han encontrado, hasta el momento, aplicación práctica por problemas de costos o de uniformidad en la fabricación de palpadores con estos prismas.
Con resultados muy similares al perspex, se puede utilizar el Acrilico.
Ambos materiales dan resultados satisfactorios en aluminio y acero. Sin embargo, si se trata de ensayos sobre muestras de cobre o de fundición gris, no es posible cubrir, con los plásticos citados, la gama de ángulos de refracción hasta 90º. Por ejemplo: un palpador con prisma de perspex de 80º de ángulo de refracción para acero, si se emplea sobre muestras de cobre dará lugar a la propagación de una onda transversal a sólo 41º; si el palpador proporciona un ángulo de refracción en acero de 35º, el ángulo de refracción en cobre será de 23º y, además, con la onda transversal se propagará simultáneamente una longitudinal a 57º, con la consiguiente dificultad de interpretación del oscilograma.
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En estos casos se recurre a prismas cuyo material presente una velocidad de las ondas longitudinales menor que en el perspex, tal como el plomo, ciertos tipos de nylon o caucho blando.
Los primeros palpadores angulares eran de gran tamaño, llegando a dimensiones de 30 x 60 x 40 mm, con cristales de cuarzo rectangulares de 20 x 22 mm. Teniendo en cuenta que el cuarzo se califica como mal emisor, estos palpadores estaban
limitados hasta frecuencias del orden de 2 MHz, debido a la fuerte absorción del material del prisma. Con la introducción de osciladores de titanato de bario, se mejoró el poder de emisión de estos palpadores pero en detrimento de su poder de resolución. Actualmente, se ha logrado reducir el tamaño de los palpadores
angulares a dimensiones del orden de 6 x 12 mm de la superficie activa del prisma, lo que permite operar con frecuencias de hasta 5 MHz.
Estos palpadores miniatura han supuesto una gran aportación para la mejora de las técnicas operatorias aplicadas a las uniones soldadas y a las revisiones de
mantenimiento .
Los palpadores angulares de contacto se emplean, preferentemente, en los equipos de impulso – eco y, ocasionalmente, por transparencia y se aplican, casi
exclusivamente, a problemas de defectología.
7.5 Palpadores de Ondas de Superficie.
Para generar ondas de superficie se recurre, principalmente a palpadores angulares de contacto, cuyo ángulo de incidencia se calcula de forma que sea ligeramente mayor que el ángulo límite de las ondas transversales en el material de ensayo Las características de diseño descritas en el apartado anterior, sobre los palpadores angulares de ondas longitudinales y de ondas transversales, son válidas en toda su extensión para estos palpadores angulares de ondas de superficie.
También se pueden generar con un palpador de contacto, de incidencia normal, con cristal de cuarzo de corte en Y, empleando un líquido como medio de acoplamiento, o con un palpador plano de incidencia normal, con contacto en una generatriz de una muestra cilíndrica ( contacto rectilíneo ), con oscilador de ondas longitudinales, pero sin medio de acoplamiento, si bien ambos procedimientos son poco empleados en la práctica.
En capitulo anteriores analizamos las características y propagación de este modo o tipo de onda, describimos otras propiedades de estas ondas y sus posibilidades de aplicación a la detección de heterogeneidades superficiales en los materiales.
7.6 Palpadores Angulares de Incidencia Variable (de ondas de Lamb ).
Permiten variar el ángulo de incidencia de forma continua, para lo cual se recurre a diversos tipos de ensambles o uniones en rótula, plana, cilíndrica o esférica, tal como las indicadas en los esquemas de la figura 3.65. Las dos partes de la rótula son del mismo material y, entre ambas, se intercala una capa fina de aceite mineral u otro líquido adecuado para crear un < contacto acústico > lo más perfecto posible. Para asegurar la persistencia de esta capa, se suele encerrar el palpador en una envoltura estanca rellena de dicho líquido.
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Como ambas partes son del mismo material y la capa de contacto de la rótula muy delgada, no se produce apenas refracción de las ondas ultrasónicas a su paso por esta superficie límite, no aherándose, pues, el modo y la dirección de las mismas.
Todo lo expuesto anteriormente para los palpadores angulares de incidencia fija es válido también aquí.
Un palpador de incidencia variable tiene, en principio, mayor campo de aplicación que uno de incidencia fija. No obstante, requiere montajes especiales para mantener fija la incidencia que resulte adecuada para un ensayo y su construcción es también más complicada y costosa, ya que el contacto entre ambas partes de la rótula debe ser lo más perfecto posible a fin de evitar pérdidas mayores de presión acústica (19). Su utilidad principal radica en la posibilidad de generar ondas de Lamb, de chapa o de barra, tubos de pared delgada, varillas y alambres, es decir, en muestras con superficies paralelas, cilíndricas o prismáticas de espesor fino. En otro capitulo analizamos las características y propagación de estas ondas, que hacen que todo el espesor de la muestra participe en la vibración según un estado de resonancia, con una velocidad de propagación que es función del espesor de la muestra, de la naturaleza del material, de la frecuencia de excitación y del modo y tipo de onda. Si en un palpador angular de incidencia variable, se ajusta el ángulo de incidencia de forma que la velocidad de fase de la onda longitudinal incidente sea igual a la
velocidad de fase de un tipo y modo particular de onda de Lamb en la muestra, se producirá dicho estado de resonancia. Este ángulo será, pues, función del espesor de la muestra, de la frecuencia de excitación y de la velocidad de propagación. Este estado se produce tanto para una excitación continua como para una excitación por impulsos.
7.6.1 Palpadores de Inmersión.
Los ensayos por inmersión, bien sumergiendo la muestra en un tanque o mediante el empleo de
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palpadores de inmersión local, son particularmente indicados cuando se precisa realizar exploraciones de gran volumen y extensión, examinar lotes de gran número de muestras o muestras de formas relativamente complejas.
Como la transmisión de los ultrasonidos desde el palpador a la muestra, se efectúa a través de una columna de líquido, es decir, sin contacto directo, presión ni
rozamiento entre el palpador y la muestra, esto permite:
a) Eliminar los riesgos de rotura y desgaste del cristal oscilador, por lo que no se precisa el empleo de suela protectora.
b) Emplear frecuencias más elevadas ( cristales de espesor más fino ) que las posibles con los palpadores de contacto, ya que el riesgo de rotura de los cristales es mínimo.
c) Propagar el haz ultrasónico en la muestra con el ángulo de penetración deseado, bien como ondas longitudinales o como ondas transversales, pudiéndose variar la inclinación del palpador con relación a la superficie de la muestra ( ángulo de incidencia ) de forma continua.
d) Aumentar la velocidad del ensayo, al no haber contacto o rozamiento, por lo que los ensayos por inmersión están especialmente indicados para ensayos automáticos
Además de las ventajas señaladas, se añade también su adaptación más fácil o mejor acoplamiento, tales como muestras prenadas, estampadas o forjadas
Entre las limitaciones hay que recordar los efectos de la rugosidad de la superficie de la muestra y el de la curvatura de superficies convexas que se pueden compensar, en parte, con el empleo de palpadores focalizantes.
Los palpadores de inmersión se emplean en los equipos que operan por los métodos de impulso – eco, de transparencia y de resonancia y se aplican, preferentemente, a problemas de defectología y metrología. Ahora bien, dada su posibilidad de operar a frecuencias mucho más elevadas que los palpadores de contacto, su aplicación a problemas de caracterización es también muy indicada.
No cabe hacer la disrinción entre palpadores de incidencia normal y de incidencia angular, ya que ambas se logran, naturalmente, con un mismo palpador de
inmersión. Ya discutimos la posibilidad de propagar ondas longitudinales o
transversales, con el ángulo de penetración deseado, en el caso de superficies límites agua – aluminio y agua – acero y los márgenes óptimos de ángulos de incidencia para ambos tipos de ondas. En las tablas 3.IX y 3.X se proporcionan los ángulos de refracción de las ondas longitudinales y de las ondas transversales, respectivamente, en materiales tales como aceros débilmente aleados, aceros inoxidables, aluminio, aleación de aluminio, magnesio, titanio y superaleación base níquel ( tipo inconel o nimonic ) y que se obtienen con los ángulos de incidencia en el agua allí indicados. Con los ángulos de incidencia ligeramente superiores a los ángulos límites de las ondas transversales, se obtienen ondas de superficie, las cuales sufren una
atenuación fuerte si la muestra está sumergida. Igualmente, se pueden obtener ondas de Lamb, de chapa, de barra, etc., las cuales sufren también una atenuación fuerte, pero, en ambos casos, esto se puede subsanar empleando palpadores de inmersión local, dispuestos de manera que el líquido de acoplamiento no se extienda sobre la superficie de explración, figura 3.66 ( c ).
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El diseño de un palpador de inmersión es similar al de un palpador de contacto de incidencia normal. Ahora bien, una de las cualidades que se cuidan es su total estanquidad. No precisan de suela protectora, pero, dado que se diseñan para frecuencias generalmente elevadas ( de hasta 25 MHz, para problemas de
defectología y metrología ), suelen acompañarse de una funda protectora, de la que se prescinde en el momento de su aplicación.
Al igual que en la técnica de contacto, se emplean palpadores de cristal único, emisor y receptor, tipo E + R; palpadores de doble cristal, uno emisor y el otro recptor, tipo E –R, en menor extensión, palpadores de cristal múltiple. Peroen esta técnica de inmersión, se aplican con frecuencia los palpadores focalizantes, principalmente en ensayos que requieran obtener mayor sensibilidad y poder de resolución a una profundidad determinada de la muestra
7.8 RESOLUCION – SENSIBILIDAD
Las características del palpador que se utilice para el ensayo es de fundamental importancia, es decir que es necesario conocerle la longitud del campo cercano, divergencia el haz, penetración, sensibilidad y poder de resolución, como también es necesario la frecuencia de oscilación del cristal.
Con respecto a la frecuencia, dada su relación con la longitud de onda, su influencia será decisiva en cuanto a la detectabilidad de heterogeneidades pequeñas.
Por otra parte si para alcanzar niveles altos de poder de resolución se utilizan frecuencias de ensayo elevadas, se corre el riesgo que al aumentar excesivamente el coeficiente de atenuación se pierda poder de penetración del haz sónico.
El diámetro del cristal es otro dato importante en la construcción de un palpador, debido a que junto con la frecuencia determinan la longitud del campo cercano y la divergencia del haz.
Si el campo próximo es largo el palpador tendrá buena sensibilidad para pequeñas discontinuidades ubicadas lejos de él.
Debido a que en el método de ensayo por pulso eco, que es el más empleado para la realización de ensayos de materiales por ultrasonido, el cristal piezoeléctrico una vez excitado poe el impulso eléctrico que manda el equipo, éste vibra con una frecuencia propia, y tras un intervalo extremadamente corto debe funcionar como receptor, es preciso obtener en el menor tiempo posible la atenuación de las oscilaciones inducidas, pues sino la energía ultrasónica que penetra en la pieza disminuye pronunciadamente, con lo cual la sensibilidad de detección del palpador disminuye .
Por consiguiente hay que lograr una solución de compromiso entre la penetración del ultrasonido y la sensibilidad, o que se logra una solución de compromiso entre la penetración del ultrasonido y la sensibilidad, lo que se logra amortiguando
adecuadamente el cristal, obteniendo de esta manera pulsos de excitación más estrechos que equivalen a una alta resolución.
Con el término resolución se designa la capacidad del palpador para distinguir dos defectos muy próximos entre sí en el oscilograma representado en la pantalla del equipo.
El poder de resolución, además de por el tipo de características de amortiguación que tenga el oscilador, está influenciado por la variedad del cristal piezoeléctrico utilizado para su construcción.
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Como conclusión podemos decir que un palpador que tenga un cristal poco atenuado, tendrá una alta potencia y sensibilidad, pero a causa de lo ancho de los pulsos una menor resolución, y con un cristal fuertemente atenuado puede obtenerse una alta resolución, vale decir impulsos estrechos, pero a cambio de una menor potencia de penetración y de una menor sensibilidad.
También se puede decir que para lograr resultados óptimos en un ensayo ultrasónico se debe elegir con cuidado el transductor ultrasónico y el equipo que más se adapte a las condiciones del examen a realizar, ya que ambos interconectados forman un conjunto fundamental para los resultados.
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8 -
EQUIPO ULTRASONICO
Teniendo en cuenta los parámetros que indican, los equipos de ultrasonido usados en la inspección de materiales pueden ser agrupados en tres categorías.
1- Con indicación de energía transmitida (ensayo de transparencia) 2- Medidas de espesores (por resonancia)
3- Con indicación de la amplitud y del tiempo de tránsito de la energía transmitida o reflejada (pulso-eco)
Los equipos del grupo 3 son los de uso más generalizado, principalmente para la localización de defectos. Este tipo de equipos involucran la medición simultánea de dos parámetros:
a) La amplitud de señal obtenida de cualquier discontinuidad interna. b) El tiempo empleado por el haz ultrasónico para recorrer la distancia
entre la superficie de entrada del mismo y la superficie de la discontinuidad que lo refleja.
En la Fig. 9 se observa el circuito básico de un equipo con indicación y amplitud y tiempo de tránsito.
Figura 9
Dentro de este tipo de equipo existen variantes, principalmente en lo referente a la forma de representación de las indicaciones.
Estas variaciones son:
1) Equipos con presentación en tubos de rayos catódicos con indicación de posición de defecto y amplitud de la señal de defecto se los llama equipo de barrido tipo A.
2) Equipos con presentación en tubos de rayos catódicos con indicación de profundidad del defecto y distribución de los defectos en el plano transversal de la pieza. Se los denomina equipos de barrido tipo B.
3) Equipos con presentación en tubos de rayos catódicos con indicación de forma y distribución de los defectos en el plano de la inspección. Llamados equipos
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8.1 REPRESENTACION
TIPO
A - DIAGRAMA DE BLOQUE
Estos tipos de equipos son los más utilizados en la realización de ensayos no destructivos de materiales, donde las indicaciones aparecen como deflexiones verticales de la base de tiempo del equipo.
En la Fig. 9.1 A se muestra una pantalla con este tipo de representación.
El circuito esquemático de este tipo de equipo se puede observar en la Fig. 9.1 B . El principio de funcionamiento es el siguiente:
Un oscilador (1) es el encargado de activar al generador de sonido (2) y al generador de pulso (3).
El oscilador es el que genera la frecuencia de repetición de los pulsos la que puede ser variada por medio de una llave selectora de frecuencia (4).
El generador de barrido mediante señal diente de sierra produce la tensión que se aplica a las placas de deflexión horizontal del tubo de rayos catódicos (5). De esta forma el haz de electrones barre la pantalla a velocidad constante que depende de la inclinación del diente de sierra. Cuanto más suave es la pendiente de la rampa del diente de sierra más lento es el desplazamiento del haz sobre la pantalla.
Modificando la pendiente se puede entonces seleccionar la velocidad de barrido. Este control en la mayoría de los equipos se efectúa mediante una llave de puntos indicada con "Rango" (6) que efectúa la regulación gruesa. Por ejemplo: una posición equivale al tiempo que el ultrasonido recorre 100 mm en el material y otra posición el tiempo necesario para recorrer 250 mm.
