Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ciencia e Ingeniería en Materiales

INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO EN PATRONES Y PIEZAS CON DISCONTINUIDADES

Steven Castillo Hernández, Juan Ramón Castro Corrales, Gerardo Madrigal Mongescastillohernandez11@gmail.com, juan.r.cc.16@gmail.com, geramadrigal@gmail.com

RESUMEN: En este informe se estudiaron dos placas con discontinuidades y dos probetas cilíndricas con discontinuidades, esto mediante la técnica de ultrasonido, donde se utilizaron los equipos; para medición de espesores, para detección de fallas. Estos fueron calibrados utilizando cinco probetas patrón, distintas para cada equipo; tipo escalonada, tipo cubo y tres bloques de calibración estándar. En el estudio se realizan el barrido tipo A y se logró evidenciar la presencia de discontinuidades como agujeros, rugosidad en la superficie e indicaciones asociadas con un mismo defecto pero con profundidades diferentes y de menor magnitud de área, en el caso de los cilindros, también se utiliza el método tipo B, el cual proporciona mejor y más clara la ubicación de dichas discontinuidades. De esta forme se encuentre que esta técnica tiene gran exactitud al determinar la posición de las discontinuidades internas, estimando sus dimensiones, orientación y dependiendo de la experiencia del inspector se puede determinar la forma de dicha discontinuidad.

PALABRAS CLAVE: Ultrasonido, Palpador, Lubricación, Calibración, Discontinuidades

ABSTRACT: In this report two plates with discontinuities and two cylindrical specimens with discontinuities were studied by this ultrasound technique, in which were used the equipment for thickness measurement and for fault detection. This equipment was calibrated using five specimens pattern different for each team: staggered type, bucket type and three standard calibrations. In the study the A-scan is performed and managed to detect the presence of discontinuities such as holes, surface roughness and indications associated with a single defect but with different depths and of lesser magnitude of area. In the case of the cylinders, the type B method was used, which provides better and more clearly the location of these discontinuities. Thus, it is found that this technique has high accuracy in

determining the position of the internal discontinuities, estimating its size, orientation, and depending on the experience of the inspector can determine the shape of the discontinuity.

KEY WORDS: Ultrasound, Probe, Lubrication, Calibration, Discontinuities

1 INTRODUCCIÓN

La técnica de ultrasonido industrial puede definirse como un procedimiento de inspección no destructiva de tipo mecánico, que introduce rayos de ondas sónicas de alta frecuencia en los materiales para la detección de discontinuidades superficiales y subsuperficiales en el material.

Las ondas ultrasónicas tienen frecuencias superiores a 20000 Hz y son generadas por cristales piezoeléctricos que se encuentran dentro de un transductor o palpador. Este componente posee la propiedad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente el transductor vibra a altas frecuencias por el efecto piezoeléctrico generando las ondas ultrasónicas, las cuales don transmitidas al material a inspeccionar por medio de un material o liquido acoplante. Las ondas ultrasónicas sufren una atenuación proporcional a la distancia de recorrido y se reflejan cuando se encuentran una frontera o región con una impedancia acústica diferente. [5]

La mayoría de las inspecciones ultrasónicas son realizadas en frecuencias de 0,1 y 25 MHz muy por encima del oído humano. Las vibraciones mecánicas en el material imponen estrés en este, en cual se encuentra por debajo del límite elástico para prevenir efectos permanentes en las piezas.

El grado de reflexión depende de las propiedades especificas físicas del material, cierto porcentaje especifico de energía es reflejada por ciertas discontinuidades que puede presentar el material y son muy fácil de identificar, las inclusiones y la

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inhomogeneidad del material puede detectarse por una reflexión parcial o una dispersión de las ondas ultrasónicas. [1]

El área efectiva para la inspección de ultrasonido se le llama “rayo sónico” que es característico del material a analizar, este rayo sónico se divide en un área convergente (campo cercano), y un área divergente (campo lejano). La longitud N del campo cercano y el ángulo de divergencia depende del diámetro del elemento, la velocidad del sonido en el material y la frecuencia. [4]

N= D2

4 λ

Figura 1. Definición grafica de campo cercano, campo lejano y ángulo de divergencia

Otro factor importante a la hora de inspección por ultrasonido es la superposición, la cual sucede cuando se el campo lejano encuentra una frontera paralela a la dirección del rayo sónico. Esta superposición puede ocultar las discontinuidades que se encuentren muy cercanas a la superficie del material.

Figura 2. Superposición del campo lejano, omitiendo una discontinuidad.

El material puede ser analizado mediante la aplicación de ondas longitudinales como transversales, lo que cambia es el ángulo en el que se encuentra el cerámico piezoeléctrico del transductor. Para la ambos tipos de incidencia de la onda el material se comporta diferente y por lo general la velocidad de transmisión de la onda en el material varia ya que depende de las características elásticas del material.

Otra técnica para la inspección por ultrasonido consiste en la inmersión de pieza en un medio acuoso para que en el medio Material/Liquido se propague de manera efectiva las ondas mecánicas, evitando las pérdidas de energía que se dan en los medios Material/Gas.

Las discontinuidades que se detectan no precisamente afectan la funcionalidad de la pieza y es probable que sean parte de su diseño por lo que es importante establecer estándares acerca de la aceptación o rechazo de las mismas los cuales deben de estar basados en el efecto que tendrán en la vida útil de la pieza o en la seguridad del productos.

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2 MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales:

● Equipos de ultrasonido estándar (Kraultkramer USN 52R,GE Phasor XS)

● Interfaces de conexión● Equipo ultrasónico para medición de

espesores (GE DMS2)● Transductores de haz ultrasónico● Fluido de acople.(Aceite SAE 40)● Bloques patrón de calibración.

(IIW Type 2)● Regla

Procedimiento:

A. Medición de espesores Encender el equipo Conectar el palpador respectivo Seleccionar la velocidad de

propagación (5900m/s para hierro)

Calibrar el equipo con el patrón estándar correspondiente

Tomar las dimensiones de la pieza a examinar

Realizar las mediciones respectivas y tabule los datos obtenidos

B. Puesta en marcha y calibración de ultrasonidos

Encender los equipos Conectar el palpador de 25mm

de diámetro, 2 MHz y de haz directo en el primer equipo

Conectar el palpador de 25mm de diámetro, 4 MHz y de haz directo en el segundo equipo

Tomar las mediciones de las piezas a examinar y de los patrones a usar.

Utilizar el bloque patrón para regular las indicaciones en pantalla del equipo, debe aparecer al menos el primer eco de frontera y la primera lectura captada debe alcanzar al menos

un 80 % en la pantalla del equipo.

Determinar el espesor de la pieza utilizando el equipo

Realizar un escaneo de la pieza en busca de irregularidades

Anotar las observaciones y los datos obtenidos

Repetir los pasos anteriores con las piezas a examinar y el quipo sugerido por el profesor.

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3 RESULTADOSPor cuestiones de orden se colocaran las imágenes de mayor tamaño en este formato

Figura 3. Dimensiones del patrón IIW tipo 2.

Figura 4. Izquierda: Esquema con las dimensiones de la pieza. Derecha: profundidad de la discontinuidad encontrada.

Figura 5. Probeta del puesto 2 vista desde la cara inferior.

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Puesto 1:

El primer puesto de trabajo tenía el patrón IIW tipo 2. Las dimensiones obtenidas de equipo de ultrasonido, para el mismo se detallan en la Figura 3.

En el mismo puesto se analizan las probetas cilíndricas de acero (ver Figura 6). En ellas se encuentra una discontinuidad en la primera, a una distancia de 150,9mm y céntrica en la cara redonda de la pieza. Luego de revisar las piezas por la inspección ultrasónica a una ganancia de 58 dB, se observan por la cara inferior. Aquí se determina que la discontinuidad encontrada corresponde a un hueco con una especie taladro, pero esta se localiza en ambas piezas, por lo cual se entiende que no se detecta en una de ellas.

Figura 6. Dimensiones de los cilindros de acero.

En este mismo puesto se encuentra una pieza con las dimensiones descritas en la Figura 4. El espesor correspondiente es de 51,6mm, y la ganancia usada es de 40dB. Luego de ser analizada con el ultrasonido, se procede a analizarla visualmente y se encuentra un agujero (visto como la zona gris claro en el esquema), correspondiente a lo encontrado por la inspección.

Puesto 2:

Para este puesto se cuenta con un patrón de acero. Con este se busca verificar la calibración del equipo y se obtienen las medidas según la Figura 7. Para ello se utiliza el equipo de inspección con una ganancia de 67,8dB.

Figura 7. Esquema con las dimensiones de la pieza patrón.

Además, se cuenta con una probeta de acero con un espesor de 30mm. Se procede a realizar un esquema de la pieza con las dimensiones y con divisiones cuadriculadas para realizar un mapeo de las zonas con discontinuidades. La inspección se realiza con una ganancia de 48dB.

Figura 8. Esquema de la probeta del puesto 2.

Esta discontinuidad se localiza a 20,5mm de profundidad. La figura 5 muestra la pieza vista desde el inferior, y con un análisis visual de las discontinuidades presentes.

Puesto 3:

El patrón de este puesto para determinar espesores se observa en la Figura 9, junto con sus dimensiones obtenidas.

Figura 9. Probeta del puesto 3 con dimensiones.

La siguiente probeta es de aluminio, por lo que las ondas ultrasónicas deben considerarse bajo otra velocidad y por ende los valores cambian. Para analizar las discontinuidades, se realiza un mapeo y se anotan los valores en cada casilla.

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22,27 22,21

22,19 22,21

22,22 22,22

22,24

22,25 13,21

22,21 22,22

22,21 22,24

22,25

22,25 22,21

22,21 22,21

22,22 17,78

22,25

22,28 22,25

22,25 22,83

22,24 17,83

22,25

22,28 22,27

22,26 22,25

22,25 22,26

22,28

Figura 10. Probeta 1 del puesto 3.

Entonces, para obtener las medidas reales se necesitan las velocidades de los materiales:

Acero: 5900 m/s Al: 6320 m/s

Y con estas, se da la siguiente relación con el patrón de aluminio de 6,5mm de espesor:

6.55.86

=x ijy

En donde los 6,5mm son la medida real del espesor del aluminio, 5,86mm es la medida obtenida con el equipo con la calibración para la inspección, la “xij” representa los valores de la celda y “y” al valor real del espesor en el aluminio. Entonces siguiendo esta relación, se generan los siguientes valores para las celdas:

20,08 20,02

20,01 20,02

20,03 20,03

20,05

20,06 11,91

20,02 20,03

20,02 20,05

20,06

20,06 20,02

20,02 20,02

20,03 16,03

20,06

20,09 20,06

20,06 20,58

20,05 16,07

20,06

20,09 20,08

20,07 20,06

20,06 20,07

20,09

Figura 11. Valores reales de los espesores para el aluminio.

Y luego de inspeccionada se analiza la cara oculta, vista en la figura siguiente.

Figura 12. Probeta 1 del puesto 3, según cara inferior con discontinuidades.

Además, se presenta otra probeta pero de una fundición de hierro con un espesor de 20mm. El área gris claro presenta un espesor promedio de 15,81 mm, mientras que el resto de la pieza tiene un espesor promedio de 18,55mm.

Figura 13. Probeta 2 del puesto 3, fundición de hierro.

Y su correspondiente análisis visual se observa en la siguiente figura. En la cual se aprecia la discontinuidad presente en la pieza.

Figura 14. Probeta 2 del puesto 3, con la discontinuidad visible.

4 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los puestos 1 y 2 se realizan el análisis de las discontinuidades en las probetas. Con esto se pretende encontrar la localización, forma y

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profundidad de las mismas. Para ambos puestos, no se logran detectar algunas discontinuidades debido a su forma perpendicular a la incidencia de las ondas ultrasónicas. No es posible detectar aquellas en las cuales el fondo es redondeado (cóncavo) ya que las ondas se dispersan y su reflexión no puede ser percibida.

Del puesto 1, las probetas cilíndricas tenían una con fondo plano, que es la que se detecta, y la de fondo redondeado que escapa a la detección. Para la probeta rectangular se logra detectar con efectividad la presencia y forma de la discontinuidad presente.

La probeta del puesto 2 resulta la de menor efectividad ya que solo se logra encontrar una discontinuidad cuando existen seis totales. Esto se debe al fenómeno descrito anteriormente de la dispersión de las ondas.

La detección del espesor en el puesto 3 permite encontrar las 2 discontinuidades presentes en la probeta de aluminio, representando el 100% de

detección. Es necesario recordar realizar el ajuste de los espesores ya que el equipo se encuentra calibrado para aceros, con velocidades de 5900 m/s; y se la probeta evaluada es de aluminio con una velocidad de 6320 m/s. Al hacer esta relación con el espesor reportado por el patrón y el obtenido del equipo, se genera la nueva tabla con los valores reales para dicha probeta.

Para la pieza de fundición, la inspección permite dar con una idea general de la forma de las discontinuidades, y al revisar la pieza original se observa que el análisis es de alta validez a ser certero con los resultados arrojados.

5 CONCLUSIONES

1. El área superficial que abarca una discontinuidad se refleja en la intensidad de la señal, por lo tanto a mayor área mayor intensidad.

2. Este ensayo es de alta sensibilidad, con el cual se pueden detectar discontinuidades pequeñas, así como discontinuidades a gran profundidad del material.

3. El ultrasonido permite diferenciar dos discontinuidades próximas entre sí, así como la diferencia en la intensidad de la señal de acuerdo a su geometría.

4. Se comprueba que la obtención de resultados es inmediata, y que la interpretación de dichos depende del ejecutor de la prueba, además de la debida calibración del equipo utilizado.

5. El equipo de ultrasonido pierde precisión al medir magnitudes mayores a los patrones utilizados para su respectiva calibración.

6. El método de barrido tipo B, es más eficaz en la localización y tamaño de las discontinuidades en comparación con el método A.

6 BIBLIOGRAFÍA:

[1] ASM. Nondestructive Evaluation and Quality Control: Volume 17. ASM INTERNATIONAL.

[2] ASTM. Standard Guide for Detection and Evaluation of Discontinuities by Contact Pulse-Echo Straight-Beam Ultrasonic Methods: Designation E1901. Annual Book of ASTM Standards.

[3] ASTM. Standard Practice for Measuring Thickness by Manual Ultrasonic Pulse-Echo Contact Method: Designation E797. Annual Book of ASTM Standards.

[4] Berke M. (2000). Nondestructive Material Testing with Ultrasonics. Krautkramer Company. Recuperado de : http://www.ndt.net/article/v05n09/berke/berke1.htm

[5] Conejo Solís, M. & Jiménez Salas, R. (2004). Laboratorio de tecnología de materiales (Manual de Prácticas) Cartago.

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