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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.