16 - Ultrasonido. Introducción

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1 16 - Ultrasonido Introducción El campo de aplicación de los ultrasonidos abarca actividades muy diversas tales como: - Medicina (Ej. diagnosis, terapias); - Navegación (Ej. detección de cascos, bajos); - Pesca (Ej. detección de bancos de peces); - Comunicaciones (Ej. señales submarinas); - Mecanizado (Ej. activación del proceso abrasivo y perforación); - Limpieza ( Ej. en Patrones de Líquidos Penetrantes); - Otras. Nuestro interés se centrará en las: APLICACIONES DEL METODO ULTRASONICO EN EL CONTROL DE CALIDAD DE MATERIALES 2 1

2 DEFECTOLOGÍA Introducción - Estudios de defectos ( detección, ubicación y evaluación ) - Internos; - Superficiales; - Subsuperficiales. Se utilizan equipos que miden tiempo de recorrido e intensidad acústica METROLOGÍA Se pueden realizar diferentes mediciones, ejemplos: - Medir dureza; - Determinar el nivel de un líquido en un recipiente; - Determinar la velocidad acústica de un material; - Medir espesores; - Medir capas de tocino y músculo en porcino vivo; etc. 3 OBJETIVO: Determinar defectos internos, superficiales, discontinuidades. En materiales ferrosos y no ferrosos, medir espesores de paredes. Los defectos se visualizan en un osciloscopio de rayos catódicos. Es un ensayo subjetivo, debido a que no queda ningún documento del ensayo Un sólido esta formado por moléculas fuertemente unidas atraídas entre si y que se encuentran distribuidas en forma regular y geométrica, si producimos una perturbación, esta se propaga en todo el medio, en forma de ondas. 4 2

3 ONDAS LONGITUDINALES. Si un cuerpo vibra, sus partículas se mueven alrededor de su posición de equilibrio, si su dirección es la misma de su propagación estamos en presencia de ondas longitudinales. Como las partículas son atraídas hacia su posición de equilibrio por sus vínculos elásticos, no hay un transporte de materia, solo hay un transporte de energía, las ondas sonoras, son ondas mecánicas que transportan energía. 5 ONDAS TRANSVERSALES. Cuando la dirección de propagación esta a 90 grados,del movimiento de las partículas, estamos en presencia de ondas transversales. Como la propagación de las onda es función del módulo de elasticidad. En los sólidos ambos módulos, longitudinal y transversal son distintos de cero, y en los fluidos el transversal vale cero, por lo tanto en los sólidos se propagan ondas longitudinales, transversales, y combinadas, mientras que en los fluidos ( líquidos y gases), solo longitudinales. En los fluidos no existen ondas transversales. 6 3

4 f: frecuencia Hz ( Hertz) : 1 s -1 ONDAS SONICAS NO AUDIBLES f < 16 Hz ONDAS SONICAS AUDIBLES 16 Hz < f < 20 khz ONDAS ULTRASONICAS f > 20 khz 20 khz para hormigón 20 MHz para metálicos, lo común 1 a 12 MHz 7 LAS ONDAS ULTRASONICAS SE GENERAN A PARTIR DEL EFECTO PIEZOELECTRICO El efecto piezoeléctrico consiste en la propiedad que tienen ciertos cristales, que al ser cortados según determinada orientación, y serle aplicada una presión mecánica entre sus caras, generan una descarga eléctrica Esta descarga será positiva en una cara y negativa en la otra, al invertirse el signo de las cargas se invierte el sentido de la descarga. Inversamente si se aplican cargas eléctricas a las caras del cristal, Este se comprime o tracciona según sea el signo de las cargas eléctricas, produciéndose vibraciones u ondas mecánicas. 85 4

5 ENTONCES APLICANDO UN ELEMENTO CONDUCTOR SOBRE UNA CARA DEL CRISTAL Y ALIMENTANDOLO CON UNA TENSION ELECTRICA, EL CONJUNTO FUNCIONA COMO UN GENERADOR DE ONDAS MECANICAS. EN ESTE CASO. 9 Los materiales comunes de los cristales son: Cuarzo Sulfato de litio Titanato de Ba metaniobato de Pb zirconato de Pb El conjunto se llama palpador o cabezal, puede ser emisor, receptor o emisor y receptor en el mismo cabezal. 10 5

6 INCIDENCIA OBLICUA Cuando una onda incide, bajo un determinado angulo, respecto a la normal, en una superficie que limita a 2 medios ( 1 y 2). Parte del haz es reflejado y parte es transmitido al medio 2, produciéndose el fenómeno de refracción, este ángulo dependerá del ángulo de incidencia inicial y de la velocidad del sonido de los materiales 1 y INCIDENCIA OBLICUA Es aplicable a estos fenómenos la ley de Snell r = reflejada d = refractada i = incidente 12 6

7 ANGULOS LIMITES MEDIO 1 ACERO MEDIO 2 PLEXIGLAS 1er. ANGULO LIMITE α L1 = 27,6 º α T2 = 33º Al desplazar el haz incidente y aumentar el ánguloα, en el 2do. medio el haz refractado longitudinal se sigue abriéndo, se va adelantando, cuando el ánguloα incidente llega a los 27,6º, el ánguloαtransversal tiene 33º, la onda longitudinal refractada tiene 90 º y no aparece en el 2do medio 13 TRANSFORMACION DE ONDAS Onda longitudinal Onda transversal 14 7

8 ANGULOS LIMITES MEDIO 1 ACERO\ MEDIO 2 PLEXIGLAS 15 ANGULOS LIMITES Si α L 1 = 57,8 en el medio 1, en el medio 2 es: α T 2 = 90º Cuando el haz transversal tiene 90º las ondas se propagan como ondas superficiales. ( 2do. Angulo límite) 16 8

9 ANGULOS LIMITES MEDIO 1 ACERO MEDIO 2 PLEXIGLAS 2do ANGULO LIMITE α L 1 = 57,8º α T 2 = 90º Si seguimos variando el angulo αl 1, a αl 2, onda transversal refractada, deja tambien el medio 2, α L 1 = 57,8º α T 2 = 90º la 17 ANGULOS LIMITES PRACTICOS PARA PALPADORES ANGULARES 1er. ANGULO LIMITE α T2 = 35º 2do ANGULO LIMITE α T2 = 80º 18 9

10 Las ondas acústicas dependen de la velocidad del sonido en el medio y de la impedancia acústica 19 Las ondas acústicas dependen de la velocidad del sonido en el medio y de la impedancia acústica 20 10

11 Las ondas acústicas dependen de la velocidad del sonido en el medio y de la impedancia acústica 21 Las ondas acústicas dependen de la velocidad del sonido en el medio y de la impedancia acústica 22 11

12 23 IMPEDANCIA ACUSTICA LA IMPEDANCIA ACUSTICA ( Z ) ES UNA CONSTANTE DEL MATERIAL Si un medio posee baja impedancia, ofrece baja resistencia a la propagación del sonido. Se puede decir que la impedancia es una resistencia que se opone a las vibraciones

13 IMPEDANCIA ACUSTICA LA IMPEDANCIA ACUSTICA ( Z ) ES UNA CONSTANTE DEL MATERIAL La impedancia esta relacionada con la densidad (δ) y la velocidad del sonido en el medio (c) Z = δ x c La relación de impedancia de los materiales establece la proporción del poder de transmisión de las ondas dentro de un material de impedancia diferente 25 IMPEDANCIA ACUSTICA Tabla comparativa de parámetros 26 13

14 IMPEDANCIA ACUSTICA 27 IMPEDANCIA ACUSTICA Acero al carbono Z = 466 x 10 4 g cm -2 s -1 Aire Z = 0,004 x 10 4 g cm -2 s -1 Agua Z = 14,9 x 10 4 g cm -2 s

15 Reflexión y transmisión de ondas (presión) Las ondas ultrasónicas son reflejadas cuando atraviesan medios con diferente impedancia acústica (Z) La fracción de intensidad incidente que se refleja (R) se puede calcular según la siguiente ecuación: La intensidad trasmitida (T) se puede calcular como: 1-R 29 Cómo se aplican los ensayos? Medición de nivel de un líquido en un tanque Detección de imperfecciones en un material Espesor de un pieza 30 15

16 PALPADOR LONGITUDINAL EMISOR - RECEPTOR PARA TRABAJOS ESPECIALES O PARA CONTROLES CONTINUOS PUEDE USARSE UN PALPADOR EMISOR Y OTRO RECEPTOR Los palpadores con plaquitas de cuarzo son los mas resistentes al desgaste. Si utilizamos otro debemos usar un protector de goma 31 PALPADOR LONGITUDINAL EMISOR - RECEPTOR

17 SENSIBILIDAD: Es función de la cantidad de energía eléctrica que se transforma en energía mecánica. RESISTENCIA AL DESGASTE: es cuando se usa el cristal sin protector El mas resistente es de cristal de cuarzo. PODER RESOLUTIVO:Es la mayor o menor separación entre dos ecos de fondo, aun cuando el escalón de la pieza sea mínimo. Con un palpador con un gran poder resolutivo se pueden observar 2 ecos consecutivos producidos por un escalón muy mínimo

18 PALPADOR S E Para determinar fallas cerca de la superficie o medir espesores. 35 PALPADORES ANGULARES 36 18

19 PALPADORES ANGULARES 37 DETECCION DE FALLAS CON PALPADORES ANGULARES 38 19

20 DETECCION DE FALLAS CON PALPADORES ANGULARES

21 DETERMINACION DE LUGAR FISICO DE LA FALLA 41 DETECCION DE FALLAS EN PIEZAS CURVAS 42 21

22 NOMENCLATURA DE LOS PALPADORES Q = Cuarzo B= Titanato de Ba K = Cristal especial El Numero indica la frecuencia en MHz ( p/e : B 2 ) La letra S después de la frecuencia indica que tiene suela protectora ( B2S) La letra T luego de la frecuencia, estancos al agua, Q 4 T La letra M antes de la nomenclatura, significa miniatura,m Q 43 NOMENCLATURA DE LOS PALPADORES La letra S antes de la M, significa subminiatura, S M Q Ejemplo general de un palpador longitudinal: S M B 6 S SUBMINIATURA-TITANATO DE Ba- 6 MHz SUELA PROTECTORA. La letra W antes de la nomenclatura significa palpador angular (W B). Frecuentemente se presentan W 45 o M W 45, son de Titanato de Ba y 4,5 MHz Si tiene la letra O son para ondas superficiales. Las letras SE significa que son 2 cristales independientes (Emisor y Receptor). Palpadores duales

23 ESQUEMA DEL EQUIPO GENERADOR DE 45 TODO INSTRUMENTO DE ANALISIS DE DETECCION DE FALLAS,MEDICION DE ESPESORES, ETC, POR, CONSTA BASICAMENTE DE: - GENERADOR DE PULSOS. - RECEPTOR AMPLIFICADOR - OSCILOGRAFO DE RAYOS CATODICOS. El aparato y su funcionamiento es independiente del palpador utilizado, pero la preparación del equipo se debe realizar en función del palpador a utilizar

24 ACOPLAMIENTO, Para que se produzca el pasaje del haz de ondas ultrasónicas desde el palpador hacia la pieza y viceversa es necesario que no haya aire entre ambos, para ello se usa un elemento que se llama acoplamiento, puede ser agua, grasa, vaselina, aceite etc. 47 La cantidad de botones de comando etc. que tiene el equipo depende del modelo, antigüedad y algun otro elemento particular. Pero esencialmente todos tienen RANGO O RANGE: Regula el campo de aplicacion del equipo, esta graduado en unidades de distancia, mm, metros. Suele tener 2 botones, uno de ajuste grueso y otro de ajuste fino. Regula la velocidad de desplazamiento del punto luminoso y permite la apertura y/o cierre de la distancia entre ecos, de esa manera se puede ubicar el cero del aparato

25 DESPLAZAMIENTO O DELAY: Este es un corrimiento del cero, permite desplazar los ecos, manteniendo la distancia y el paralelismo entre ellos, constante. AMPLIFICADOR: Con este control se puede variar la altura de los ecos. Esta graduado de decibeles. 49 TRANSMISION POR TRANSPARENCIA Se evalúa la cantidad de ondas ultrasónicas que se trasmite y que se recibe, sirve esencialmente para el control 100% automático, como el caso de la palanquillas 50 25

26 PROCEDIMIENTO POR PULSO Y ECO Se basa en la medición del tiempo que pasa entre la transmisión del haz ultrasónico desde la superficie elegida y el eco de fondo o el eco de cualquier discontinuidad que exista en el camino 51 ONDAS TRANSVERSALES 52 26

27 ONDAS DE SUPERFICIE

28 CALIBRACION DEL EQUIPO. CON UNA PROBETA V 1/5 Calibración del equipo en unión con la probeta patrón V1/5, esta es de acero SAE 1022, forjado, templado y revenido y rectificada. Calibración del equipo para ser usado con palpador normal 55 CALIBRACION DEL EQUIPO CON PROBETA V 1/5 Rango de 100 mm. Se coloca grasa sobre el patrón para que haga de acople, luego se verifica que el eco de emisión este sobre la izquierda de la pantalla, entoces aparecerán los ecos de fondo. Ubicaremos el 1er. eco de fondo en cero (0) y luego los restantes, jugando con el rango y el delay, una vez ubicados los ecos, con el delay corremos toda la pantalla hasta que el primer eco esté en

29 CALIBRACION DEL EQUIPO. EN UNION CON UNA PROBETA V 1/5 Utilizando el rango de 250 mm podemos poner 10 ecos de fondo. Si calibramos con la parte de 100 mm, podemos calibrar en la escala de 100 mm o en la escala de 250 mm. Siempre necesitamos como mínimo 2 ecos de fondo para poder calibrar 57 ONDAS LONGITUDINALES RANGO DE 100 mm PROBETA V1/

30 ONDAS LONGITUDINALES RANGO DE 250 mm PROBETA V I / Calibración en unión con un palpador S-E Estos palpadores se calibran con patrones especiales debido a que un cristal emite y otro cristal recibe La probeta es escalonada de poco espesor, 2, 4, 6, 8 y 10 mm Si usamos un aparato que tenga una escala de 10 mm, calibramos en forma sucesiva con 2 alturas

31 61 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON LA PROBETA V

32 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON LA PROBETA V2 63 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON LA PROBETA V1/

33 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON BORDE DE CHAPA 65 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON BORDE DE CHAPA 66 33

34 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON BORDE DE CHAPA 67 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON BORDE DE CHAPA 68 34

35 CALIBRACION DE PALPADORES ANGULARES CON BORDE DE CHAPA 69 COMPARACION DE METODOS 70 35

36 INMERSION 71 INMERSION 72 36

37 PALANQUILLA 73 PALANQUILLA 74 37

38 PALANQUILLA 75 SOLDADURA INCIDENCIA NORMAL 76 38

39 SOLDADURA INCIDENCIA NORMAL 77 SOLDADURA INCIDENCIA ANGULAR 78 39

40 SOLDADURA INCIDENCIA ANGULAR 79 SOLDADURA INCIDENCIA ANGULAR 80 40

41 SOLDADURA INCIDENCIA ANGULAR 81 SOLDADURA INCIDENCIA ANGULAR 82 41

42 Preguntas 1. Para qué se utilizan los ensayos ultrasónicos? 2. Qué limitaciones tiene el ensayo no destructivo por ultrasonido? 3. De acuerdo a IRAM-ISO-NM 9712, qué nivel debe tener el operador de END para evaluar los resultados del ensayo? 4. Qué diferencia hay entre una onda longitudinal y una transversal? Cuál de las dos no se propagan en fluidos? 5. De qué depende la velocidad de propagación de una onda mecánica en un sólido? 6. Qué ondas se propagan más rápido en un sólido: las longitudinales, superficiales o transversales? 7. Cómo se puede generar una onda transversal a partir de una onda longitudinal? 8. Describa la ley de Snell 9. Qué función cumple el efecto piezoeléctrico en el ensayo ultrasónico? 83 Preguntas 10. En qué consiste el efecto piezoeléctrico? 11. Para qué se utiliza el acoplante en el ensayo por ultrasonido? 12. Qué técnicas existen para la medición de espesores por ultrasonido en materiales metálicos (ver NM 16809)? 13. A partir de que espesor es apropiado el ensayo ultrasónico aplicado en soldaduras? 14. Qué tipo de palpadores se utilizan en los ensayos de ultrasonidos de soldaduras a tope? 15. En qué clase de soldaduras se puede aplicar el ensayo de ultrasonido con palpadores normales? 84 42