marco teÓrico del ensayo ultrasonido

7/22/2019 MARCO TEÓRICO DEL ENSAYO ULTRASONIDO

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MARCO TEÓRICO DEL ENSAYO ULTRASONIDO

Este método se basa en la medición de la propagación del sonido en el medio

que constituye la pieza a analizar y tiene aplicación en todo tipo de materiales.

Sus distintas técnicas permiten su uso en dos campos de ensayos no

destructivos: Control de calidad y Mantenimiento preventivo, siendo en esta

última especialidad por su precisión para determinar pequeñas fisuras de fatiga

Los ensayos mediante ultrasonidos permiten la medida de espesores reales en

servicio, de espesores de películas protectoras, de pinturas, de recubrimientos,

así como la localización y medida de defectos internos como micro fisuras,

segregaciones y poros. Son especialmente prácticos en la inspección de

soldaduras. Estos ensayos se basan en la aplicación de ultrasonidos, que son

ondas producidas por vibraciones mecánicas de frecuencia superior a 20000

ciclos por segundo, que supera el límite o umbral de audición humana. Los

ultrasonidos más utilizados son de frecuencias comprendidas entre y

ciclos por segundo, y se propagan en línea recta, pudiendo atravesar

espesores de acero de varios metros.

La mayoría de estas fallas generalmente se representan en un osciloscopio,

pero este no nos presenta un cuadro específico de las fallas, como

consecuencia los resultados de este ensayo no constituyan de por si un

documento objetivo sino una información subjetiva, cuya fidelidad no puede

comprobarse sin recurrir a otros medios. Por lo tanto requiere un conocimiento

profundo de las bases del método como del dominio de la técnica, por parte del

operador.

Si tomamos ahora un sólido y provocamos en él una perturbación

produciremos una agitación en sus moléculas que se propagará una onda por

el sólido hasta sus extremos. Dicha onda puede ser estudiada a una distancia

cualquiera de la fuente. Este tipo de ondas puede ser provocado en cualquier

medio que sea elástico. Cabe destacar que las ondas solo provocan la

propagación de energía y no de materia, y eso se debe al acoplamiento de laspartículas del medio en que viaja.



El sonido viaja a través de los materiales por medio del movimiento de las

moléculas unidas elásticamente. Por lo tanto se define a la Impedancia

Acústica como a la resistencia que opone el medio a la propagación de las

ondas, siendo igual al producto de la densidad del medio por la velocidad de la

onda en dicho medio. Por lo tanto, un material que posea baja impedancia

acústica significa que posee baja resistencia a las deformaciones elásticas

producto de las ondas sonoras. La Impedancia Acústica es importante en la

determinación de la transmisión y reflexión acústica en la superficie de contacto

de dos materiales que poseen distintas propiedades y el diseño de los

cabezales ultrasónicos.

La amortiguación de las ondas es grande en gases e intermedia en líquidos.

Puesto que el comportamiento y la propagación de los ultrasonidos son de

naturaleza ondulatoria, para que una discontinuidad o defecto sea detectable

mediante esta técnica, es necesario que su dimensión en el sentido de

propagación de la onda sea mayor que una semilongitud de onda, pues

únicamente en ese caso la onda atravesará con seguridad el defecto y

aparecerá una variación de la intensidad sónica medida. Así pues el límite

de detección de esta técnica depende casi exclusivamente de la frecuencia de

los ultrasonidos utilizados.

Al tratarse de una onda, las frecuencias se hallan relacionadas con las

longitudes de onda en función de la velocidad de propagación de la onda:

La velocidad de propagación depende fuertemente de la naturaleza gaseosa,

líquida o sólida del medio. Así pues, las ondas de ultrasonidos sufrirán cambios

bruscos al pasar de un medio a otro, lo cual aporta otra de las razones de su

utilización.

Los ultrasonidos, de forma análoga a como lo hacen las ondas acústicas o

luminosas, sufren fenómenos de reflexión, refracción y difusión, lo cual permite

su utilización para el estudio de materiales.



Cuando se inventó este procedimiento, se medía la disminución de intensidad

de energía acústica cuando se hacían viajar ondas supersónicas en un

material, requiriéndose el empleo de un emisor y un receptor.

Actualmente se utiliza un único aparato que funciona como emisor y receptor,

basándose en la propiedad característica del sonido de reflejarse al alcanzar

una interface acústica.

Los equipos de ultrasonido que se utilizan actualmente permiten detectar

discontinuidades superficiales, sub-superficiales e internas, dependiendo del

tipo de palpado utilizado y de las frecuencias que se seleccionen.

Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o un cerámicopiezoeléctrico denominado transductor y que tiene la propiedad de transformar

la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado

eléctricamente el transductor vibra a altas frecuencias generando ultrasonido.

Las vibraciones generadas son recibidas por el material que se va a

inspeccionar, y durante el trayecto la intensidad de la energía sónica se atenúa

proporcionalmente a la distancia del recorrido. Al alcanzar la frontera del

material, el haz sónico es reflejado, y se recibe el eco por otro o el mismo

transductor. Su señal es filtrada e incrementada para ser enviada a un

osciloscopio.

GENERACIÓN Y DETECCIÓN DE ULTRASONIDOS

Entre los diferentes procedimientos para la generación y detección de ondas de

ultrasonidos, uno de los más habituales y de mayor interés es el método

piezoeléctrico. Esto se basa en el fenómeno piezoeléctrico que consiste en la

generación de cargas eléctricas por medio de solicitaciones o presiones de

naturaleza mecánica. Lo presentan muchos cristales, como el cuarzo, titanato

de bario, sulfato de bario, sulfato de zinc, turmalina, que son los más

comúnmente utilizados.

El fenómeno piezoeléctrico es reversible, es decir, si se aplica una diferencia

de potencial a un cristal piezoeléctrico, este experimenta vibraciones

mecánicas variables, que con la frecuencia apropiada generan las ondas de



ultrasonidos. Igualmente, en sentido inverso, los ultrasonidos se traducirán en

estos cristales en un campo eléctrico variable, permitiendo su detección.

Estos cristales, para poder ejercer su función, van montados adecuadamente

en unos soportes denominados palpadores o sondas de ultrasonidos

CARACTERISTICAS DEL CABEZAL

El cabezal es una parte muy importante del instrumento de ultrasonido. Como

se comentó anteriormente, es el que contiene el elemento piezoeléctrico que

convierte la señal eléctrica en vibraciones mecánicas en la emisión y las

vibraciones mecánicas en energía eléctrica en recepción

Algunos factores, como la construcción mecánica y eléctrica, afectan el

comportamiento del cabezal.

La construcción mecánica incluye parámetros como la superficie de radiación,

el amortiguamiento propio, el encapsulado, el conexionado, entre otros.

TIPOS DE CABEZALES

Los cabezales son fabricados para varias aplicaciones específicas, por lo tanto

hay que prestar especial atención a la elección parámetros como la frecuencia

deseada, ancho de banda y el enfoque del mismo según la necesidad.

Estos se clasifican según la aplicación, entre estos tenemos:

Cabezales de contacto

Son utilizados para las inspecciones que necesitan contacto con la pieza y son,

generalmente, manipulados a mano. Estos poseen sus componentes

protegidos por una carcasa ergonómica y una interfase que impide el desgaste

de la cara que roza con las piezas a analizar.

Requieren de un medio de acople como grasas, aceites o agua para remover la

película de aire entre el cabezal y el componente analizado.

Cabezales angulares

Los cabezales angulares utilizan una interfase en forma de cuña la cual generaun ángulo entre el haz emitido y la normal a la superficie analizada.



Esto introduce ondas refractadas de corte en el material al mismo tiempo que

dichas ondas son reflejadas en las paredes de la pieza mejorando la detección

de imperfecciones en cordones de soldaduras. También son utilizados para

generar ondas de superficie para detectar defectos superficiales.

Micro cabezales

Con carcasas cuyas dimensiones son del orden de milímetros son ideales para

inspecciones de soldaduras en tubos de pequeños diámetros o donde la

introducción de ondas transversales se debe realizar con un sondeo muy

pequeño.

Cabezales del tipo brocha

Este tipo de cabezales son utilizados para escanear áreas extensas reduciendo

los tiempos de ensayo.

Están constituidos por una matriz de pequeños cristales piezoeléctricos

cuidadosamente colocados para minimizar la variación de performance y

mantener una sensibilidad uniforme en toda el área.

Cabezales de inmersión

Estos cabezales no entran en contacto con la pieza a analizar. Están

diseñados para operar dentro de un medio líquido y posee todas sus

conexiones estancas para evitar el deterioro de los componentes.

Este tipo de cabezales son utilizados generalmente dentro de un tanque de

agua el cual es parte de un sistema de escaneo.

Cabezales del tipo lápiz

Entre las aplicaciones típicas de estos cabezales se encuentra la inspección de

alabes de turbinas, tubos de pequeños diámetros y aéreas cóncavas en

pequeñas piezas. Poseen una pequeña área de inspección.



Cabezales de rodillos

Estos cabezales son utilizados para inspeccionar junta de elementos tanto

metálicos como no metálicos, por ejemplo: uniones de maderas, concreto,

soldaduras metálicas o plásticas y vidrios entre otros. Permiten realizar un

escaneo rápido sin la necesidad de utilizar la técnica de inmersión.

PROCEDIMIENTO PULSO-ECO

Este procedimiento utiliza la porción reflejada del sonido para evaluar los

defectos. El cabezal piezoeléctrico funciona tanto como emisor como receptor.

Como la energía recibida es mucho más débil que a emitida, aquí no puede

operarse sobre la base de sonido continuo, se emplean exclusivamente

impulsos de sonido.

Un impulso eléctrico de cortísima duración genera una análoga onda

ultrasónica, inmediatamente después, mientras aún se está propagando la

onda el mismo oscilador está listo para la recepción. La onda penetra el

material hasta que, como resultado de una superficie limite, tiene lugar una

reflexión total o parcial. Si la superficie reflectante se encuentra perpendicular a

la dirección de propagación de la onda, esta se refleja en su dirección primitiva

y, al cabo de un tiempo llega de vuelta al oscilador siendo reconvertida en un

impulso eléctrico. Pero no toda la energía que regresa es reconvertida, sino

que en la interfaz entre el cabezal y la superficie de la pieza tiene lugar una

nueva reflexión, por lo que una parte menor del sonido vuelve a atravesar la

pieza por segunda vez y así sucesivamente.

PATRONES DE CALIBRACIÓN

La acción de calibración se refiere a un acto de evaluación y ajuste de la

precisión de medida del equipo. En lo que respecta a ensayos ultrasónicos se

utilizan variados métodos de calibración ya que es un ensayo que se basa en la

comparación.



Primeramente la electrónica del equipo se debe calibrar para asegurar su

funcionamiento y diseño. Luego hay una calibración que se debe realizar por el

usuario previo al ensayo.

Esta calibración incluye al equipo y al cabezal para validar los niveles deseados

de precisión.

El usuario puede utilizar un patrón de referencia con una imperfección artificial

inducida a aproximadamente la misma distancia del cabezal en el material para

determinar el tamaño aproximado de dicha fisura, comparando ambas señales.

Cabe destacar que el material del patrón a utilizar debe ser el mismo que el

material a inspeccionar.

APLICACIONES DEL ENSAYO

La amplia aplicación de los métodos de ensayos no destructivos en materiales

se encuentra resumida en los tres grupos siguientes:

Defectología. Permite la detección de discontinuidades, evaluación de la

corrosión y deterioro por agentes ambientales; determinación de tensiones;

detección de fugas.

Caracterización. Evaluación de las características químicas, estructurales,

mecánicas y tecnológicas de los materiales; propiedades físicas (elásticas,

eléctricas y electromagnéticas); transferencias de calor y trazado de isotermas.

Metrología. Control de espesores; medidas de espesores por un solo lado,

medidas de espesores de recubrimiento; niveles de llenado.

En las industrias se utilizan en la verificación de imperfecciones en motores, en

plantas generadoras, en motores a reacción, en estructuras de construcción, en

puentes, en tuberías, en tanques de almacenamiento, etc.

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