Pag. 1

INFORME DE ANÁLISIS POR ULTRASONIDO

POR:

CRISTIAN STIVEN GALLEGO RIVERA

N° DE FICHA:

65545

FECHA:

26/09/2011

INSTRUCTOR:

Niltón Cesar Pére

SENA

CENTRO DE LA INNOVACION, LA AGROINDUSTRIA Y EL TURISMO

RIONEGRO, ANTIOQUIA

2011

Pag. 2

INFORME DE ANÁLISIS POR ULTRASONIDO

65545

FECHA: 26 sep. 11

MAQUINA-EQUIPO: Equipo Ultrasónico

Principios de Ultrasonido Industrial

En la Inspección por ultrasonido (UT = Ultrasonic Testing), se utilizan ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas sónicas. En el sonido perceptible el número de oscilaciones se encuentra en un rango de entre 16 a 20,000 ciclos/segundo, mientras que al tratarse de ultrasonido es superior a los 20,000 ciclos/segundo. En la inspección de materiales por ultrasonido las frecuencias son, por regla general, notablemente más elevadas y varían entre 0.5 y 25 millones de ciclos/segundo.

Por principio, las ondas ultrasónicas pueden propagarse a través de todos los medios donde existe materia, esto es, átomos. Por el contrario, no pueden propagarse en el vacío, por no existir materia que las sustente.

Ya que la inspección ultrasónica se basa en un fenómeno mecánico, se puede adaptar para que pueda determinarse la integridad estructural de los materiales de ingeniería. Sus principales aplicaciones consisten en:

1.-Detección y caracterización de discontinuidades. 2.-Medición de espesores, extensión y grado de corrosión. 3.-Determinación de características físicas, tales como: estructura metalúrgica tamaño de grano y constantes elásticas. 4.-Definir características de enlaces (uniones). 5.-Evaluación de la influencia de variables de proceso en el material.

Ventajas

Las principales ventajas de la inspección por ultrasonido son:

• Un gran poder de penetración, lo que permite la inspección de grandes espesores. • Gran sensibilidad, lo que permite la detección de discontinuidades extremadamente pequeñas. • Su aplicación no afecta en operaciones posteriores. • Los equipos actuales proporcionan la capacidad de almacenar información en memoria, la cual puede ser procesada digitalmente por una computadora para caracterizar la información almacenada.

Pag. 3

Limitaciones

Las limitaciones del método de la inspección por ultrasonido incluyen las siguientes:

• La operación del equipo y la interpretación de los resultados requiere técnicos experimentados; • Es necesario el uso de un material acoplante. • Son necesarios patrones de referencia, para la calibración del equipo y caracterización de discontinuidades.

Antecedentes Históricos

La posibilidad de utilizar el ultrasonido para realizar pruebas no destructivas fue reconocida en 1930 en Alemania por Mulhauser, Trost y Pohlman, y en Rusia por Sergei Sokoloff, quienes investigaron varias técnicas empleando ondas continuas.

Los equipos detectores de fallas fueron originalmente desarrollados, basándose en el principio de la interceptación de la energía ultrasónica por discontinuidades grandes durante el paso del haz ultrasónico.

Posteriormente, esta técnica recibió el nombre de inspección a través. Este sistema de inspección presentaba ciertas limitaciones, principalmente, la necesidad del acceso en ambas superficies de la pieza inspeccionada para colocar un transductor en cada superficie.

No se encontró un método práctico de inspección hasta que el Dr. Floyd Firestone (EUA) inventó un aparato empleando haces de ondas ultrasónicas pulsadas para obtener reflexiones de defectos pequeños, conocido como "Reflectoscopio Supersónico". En el mismo periodo en Inglaterra, Sproule desarrolló equipos de inspección ultrasónica en forma independiente.

Pag. 4

Como sucedió en la inspección radiográfica, al principio, los equipos fueron desarrollados para ser usados como herramientas de laboratorio y no como equipos de inspección.

En la universidad de Michigan, Firestone y su grupo de trabajo investigaron los mecanismos de operación de los transductores, el uso de ondas transversales, la aplicación de las ondas superficiales o de Rayleigh, el dispositivo Raybender para la inspección por haz angular con variación del ángulo, el empleo de la columna de retardo para la inspección en zonas cercanas a la superficie de entrada, un método de resonancia por pulsos para la medición de espesores, y varias técnicas empleando ondas de placa o de Lamb.

El desarrollo reciente del método de inspección por ultrasonido esta relacionado, en primera instancia, con lo siguiente:

1. Alta velocidad en la aplicación de sistemas automatizados de inspección. 2. Instrumentos mejorados para obtener gran resolución en la detección de fallas. 3. Una mejor presentación de los datos. 4. Interpretación simple de los resultados.

Pag. 5

5. Estudio avanzado de los cambios finos de las condiciones metalúrgicas. 6. Análisis detallado de los fenómenos acústicos involucrados.

El primer instrumento ultrasónico medidor de espesores comercial, que usaba los principios derivados del sonar, fue introducido al final de los años 40. En los años 70 fueron comunes los instrumentos portátiles pequeños utilizados para una amplia variedad de aplicaciones. Recientemente, los avances en la tecnología de microprocesadores ha dejado nuevos niveles de funcionalidad en instrumentos miniatura sofisticados y fáciles de usar.

La Física del Ultrasonido

Onda Ultrasónica

Como sabemos, la propagación del ultrasonido está caracterizada por vibraciones mecánicas periódicas, las cuales son comúnmente representadas por ”movimientos ondulatorios” (ondas sinusoidales).

Velocidad Acústica

En ultrasonido se define como: “la distancia total de viaje por unidad de tiempo”. Puede ser identificada con la letra “v” o “C”, y se maneja en unidades del sistema internacional (metro/segundo, centímetro/segundo, milímetro/segundo) o del sistema ingles (pulgadas/segundo).

En la inspección por ultrasonido, la velocidad acústica es de gran importancia práctica puesto que los instrumentos ultrasónicos deben calibrarse considerando el valor de la misma para el material que será inspeccionado; esto se debe a que es una constante del material.

Relación entre Longitud de Onda, Frecuencia y Velocidad

Pag. 6

La siguiente expresión matemática representa la relación entre las características mencionadas de la onda ultrasónica:

Modos de Onda

En la inspección por ultrasonido, los modos de onda más frecuentemente utilizados son: las ondas longitudinales y las ondas de corte o transversales.

Ondas Longitudinales

La característica principal de estas ondas es que provocan que las partículas vibren en dirección paralela con respecto a la dirección de propagación de la onda ultrasónica.

Ondas de Corte

Las ondas de corte están caracterizadas porque las partículas vibran en dirección perpendicular con respecto a la dirección de propagación de la onda ultrasónica.

Su velocidad es de aproximadamente la mitad de la velocidad de las ondas

longitudinales para un mismo material, además solo se pueden propagar en

sólidos.

Impedancia acústica

Es la resistencia que oponen los materiales a la propagación del sonido. La impedancia acústica ( Z ) está definida como el producto de la densidad del material ( ρ ) y la velocidad de propagación del sonido ( v ), normalmente longitudinal, está dada por:

Z = ρ v

Donde:

Z=Impedancia acústica, gramos/cm2-segundo ρ = densidad del material, gramos/cm3 v = velocidad de propagación, cm/segundo

Interfase acústica - Es el límite entre dos materiales o medios con diferente impedancia acústica.

Pag. 7

Reflexión

Una onda ultrasónica es “reflejada” cuando encuentra un cambio en el material, una interfase acústica.

Refracción

Es el cambio de dirección de una onda ultrasónica cuando pasa de un medio a otro medio con diferente velocidad y con un ángulo de incidencia diferente a cero grados con respecto a la normal de la interface.

Conversión de Modo

Pag. 8

Cuando una onda ultrasónica incide sobre una interface acústica, parte de su energía puede ser convertida en otros tipos de onda, durante la reflexión o la refracción; este efecto es causado por que la onda tenga un ángulo de incidencia diferente a cero grados con respecto a la normal a la interface acústica.

Generación del Ultrasonido

Las vibraciones mecánicas utilizadas para realizar mediciones, análisis o

inspecciones son generadas por transductores electromecánicos, que son

accesorios que transforman energía eléctrica a energía mecánica.

Existen 4 tipos básicos de transductores ultrasónicos:

Pag. 9

Efecto Piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico es la propiedad que tienen algunos materiales para transformar energía eléctrica en mecánica y viceversa.

Características del haz ultrasónico

El haz ultrasónico se esparce, como resultado de los efectos de difracción, con el incremento de distancia desde la cara del transductor y varia en intensidad.

La cara de un transductor no vibra en forma uniforme, lo hace como un mosaico

compuesto por cristales diminutos que vibran, emitiendo un frente de onda

Pag. 10

esférico. Debido a las variaciones en amplitud inherentes, el campo cercano no es

recomendado para la inspección.

Transductores de Haz Recto

Contienen un solo elemento activo que genera ondas longitudinales. Es el transductor frecuentemente utilizado por considerarse el más versátil en la detección de fallas.

Transductores de Haz Angular

Los transductores angulares consisten, generalmente, de un solo cristal que genera ondas longitudinales, montado sobre una zapata de plástico, inclinado a un ángulo determinado para producir una onda refractada apropiada para diferentes necesidades.

Pag. 11

Generalmente este tipo de transductores es utilizado en la inspección de

soldaduras.

Transductores Duales

Estos transductores cuentan con dos elementos activos en una misma carcaza, montados sobre líneas de retardo y ligeramente inclinados y se encuentran separados por una barrera acústica.

Transductores de inmersión

Están diseñados para situaciones donde la pieza inspeccionada está parcial o totalmente sumergida en acoplante, generalmente agua.

Equipo de Ultrasonido

Un sistema de inspección ultrasónica esta compuesto por los siguientes

elementos:

Pag. 12

Básicamente todos los instrumentos ultrasónicos realizan las funciones de

generar, recibir, medir la amplitud y determinar el tiempo de viaje de pulsos

eléctricos.

Pag. 13