Prueba de ultrasonido

Las pruebas ultrasónicas (UT) son una familia de técnicas de prueba no destructivas basadas en la propagación de ondas ultrasónicas en el objeto o material probado. En las aplicaciones de UT más comunes, se transmiten ondas de pulso ultrasónico muy cortas con frecuencias centrales que oscilan entre 0,1 y 15 MHz y, ocasionalmente, hasta 50 MHz, a los materiales para detectar defectos internos o caracterizar materiales. Un ejemplo común es la medición de espesor por ultrasonidos, que prueba el espesor del objeto de prueba, por ejemplo, para monitorear la corrosión y erosión de las tuberías. Las pruebas ultrasónicas se utilizan ampliamente para detectar fallas en las soldaduras.

Las pruebas ultrasónicas se realizan a menudo en acero y otros metales y aleaciones, aunque también se pueden utilizar en hormigón, madera y compuestos, aunque con menos resolución. Se utiliza en muchas industrias, incluidas la construcción de acero y aluminio, la metalurgia, la manufactura, la aeroespacial, la automoción y otros sectores del transporte.

Historia

Los primeros esfuerzos por utilizar pruebas ultrasónicas para detectar fallas en materiales sólidos ocurrieron en la década de 1930. El 27 de mayo de 1940, el investigador estadounidense Dr. Floyd Firestone de la Universidad de Michigan solicita una patente de invención para el primer método práctico de prueba ultrasónica. La patente se concedió el 21 de abril de 1942 como patente estadounidense nº 2.280.226, titulada "Dispositivo de detección de defectos e instrumento de medición". Extractos de los dos primeros párrafos de la patente de este método de prueba no destructivo completamente nuevo describen de manera sucinta los conceptos básicos de este tipo de pruebas ultrasónicas. "Mi invención se refiere a un dispositivo para detectar la presencia de faltas de homogeneidad de densidad o elasticidad en materiales. Por ejemplo, si una pieza fundida tiene un agujero o una grieta en su interior, mi dispositivo permite detectar la presencia del defecto y localizar su posición, aunque el defecto se encuentre completamente dentro de la pieza fundida y ninguna parte de ella se extienda hacia la superficie. .... El principio general de mi dispositivo consiste en enviar vibraciones de alta frecuencia a la pieza a inspeccionar y determinar los intervalos de tiempo de llegada de las vibraciones directas y reflejadas a una o más estaciones en la superficie de la pieza. "

James F. McNulty (ingeniero de radio de EE. UU.) de Automation Industries, Inc., entonces, en El Segundo, California, uno de los primeros en mejorar las muchas debilidades y límites de este y otros métodos de prueba no destructivos, enseña con más detalle sobre ultrasonidos. pruebas en su patente estadounidense 3.260.105 (solicitud presentada el 21 de diciembre de 1962, concedida el 12 de julio de 1966, titulada “Aparato y método de pruebas ultrasónicas”) que “Básicamente, las pruebas ultrasónicas se realizan aplicando a un transductor de cristal piezoeléctrico pulsos eléctricos periódicos de frecuencia ultrasónica. El cristal vibra a la frecuencia ultrasónica y está acoplado mecánicamente a la superficie de la muestra a ensayar. Este acoplamiento puede efectuarse por inmersión tanto del transductor como de la muestra en una masa de líquido o por contacto real a través de una fina película de líquido como el aceite. Las vibraciones ultrasónicas atraviesan la muestra y se reflejan en cualquier discontinuidad que pueda encontrarse. Los pulsos de eco que se reflejan son recibidos por el mismo transductor o por otro diferente y se convierten en señales eléctricas que indican la presencia del defecto”. Para caracterizar las características microestructurales en las primeras etapas de fatiga o daño por fluencia, se deben emplear pruebas ultrasónicas no lineales más avanzadas. Estos métodos no lineales se basan en el hecho de que una intensa onda ultrasónica se distorsiona al enfrentarse a microdaños en el material. La intensidad de la distorsión se correlaciona con el nivel de daño. Esta intensidad puede cuantificarse mediante el parámetro de no linealidad acústica (β). β está relacionado con las amplitudes del primer y segundo armónico. Estas amplitudes se pueden medir mediante descomposición armónica de la señal ultrasónica mediante una rápida transformación de Fourier o una transformación wavelet.

Cómo funciona

En las pruebas ultrasónicas, se pasa un transductor de ultrasonido conectado a una máquina de diagnóstico sobre el objeto que se inspecciona. El transductor normalmente está separado del objeto de prueba mediante un acoplador como un gel, aceite o agua, como en las pruebas de inmersión. Sin embargo, cuando se realizan pruebas ultrasónicas con un transductor acústico electromagnético (EMAT), no se requiere el uso de acoplador.

Existen dos métodos para recibir la forma de onda del ultrasonido: reflexión y atenuación. En modo de reflexión (o pulso-eco), el transductor realiza tanto el envío como la recepción de ondas pulsadas como el "sonido" se refleja de vuelta al dispositivo. El ultrasonido reflejado proviene de una interfaz, como la pared posterior del objeto o de una imperfección dentro del objeto. La máquina de diagnóstico muestra estos resultados en forma de señal con una amplitud que representa la intensidad de la reflexión y la distancia, que representa el tiempo de llegada de la reflexión. En el modo de atenuación (o transmisión directa), un transmisor envía ultrasonido a través de una superficie y un receptor independiente detecta la cantidad que lo ha alcanzado en otra superficie después de viajar a través del medio. Las imperfecciones u otras condiciones en el espacio entre el transmisor y el receptor reducen la cantidad de sonido transmitido, revelando así su presencia. El uso del acoplante aumenta la eficiencia del proceso. reduciendo las pérdidas en la energía de las ondas ultrasónicas debido a la separación entre las superficies.

Ejemplos

Uno de los ejemplos que utilizan ultrasonido para probar las propiedades del material es la medición del tamaño de grano de un material específico. A diferencia de la medición destructiva, el ultrasonido ofrece métodos para medir el tamaño del grano de forma no destructiva con una eficiencia de detección aún mayor. La medición del tamaño de grano mediante ultrasonido se puede lograr mediante la evaluación de las velocidades, atenuaciones y características de retrodispersión de los ultrasonidos. Stanke, Kino y Weaver desarrollaron la base teórica para el modelo de atenuación de dispersión.

Con frecuencia constante, el coeficiente de atenuación de dispersión depende principalmente del tamaño del grano; Zeng et al descubrieron que en el niobio puro, la atenuación se correlaciona linealmente con el tamaño del grano a través de la dispersión de los límites del grano. Estos conceptos de prueba ultrasónica se pueden utilizar para resolver inversamente el tamaño del grano en el dominio del tiempo cuando el coeficiente de atenuación de dispersión se mide a partir de datos de prueba, proporcionando una forma no destructiva de predecir las propiedades del material con instrumentos bastante simples.

Características

Ventajas

1. Alta potencia penetrante permite la detección de fallas profundas en la parte.
2. Alta sensibilidad, permitiendo la detección de fallas extremadamente pequeñas.
3. Mayor precisión que otros métodos no destructivos para determinar la profundidad de los defectos internos y el espesor de las piezas con superficies paralelas.
4. Posibilidad de estimar el tamaño, la orientación, la forma y la naturaleza de los defectos.
5. Posibilidad de estimar la estructura de aleaciones de componentes con diferentes propiedades acústicas.
6. No peligroso para las operaciones o para el personal cercano y no tiene efecto en el equipo y los materiales en las inmediaciones.
7. Capacidad de operación portátil, altamente automatizada o remota.
8. Los resultados son inmediatos, lo que permite tomar decisiones sobre el terreno.
9. Necesita acceder sólo a una superficie del producto que está siendo inspeccionado.

Desventajas

1. El funcionamiento manual requiere una atención cuidadosa de técnicos experimentados. Los transductores alertan tanto a la estructura normal de algunos materiales, anomalías tolerables de otros especímenes (ambos denominados “noise”) como a fallas en ellos lo suficientemente severas para comprometer la integridad de los especímenes. Estas señales deben ser distinguidas por un técnico cualificado, posiblemente requiriendo seguimiento con otros métodos de prueba no destructivos.
2. Se requiere un amplio conocimiento técnico para la elaboración de procedimientos de inspección.
3. Acabado superficial duro, geometría irregular, partes pequeñas, espesores delgados o composición material no homogénea pueden dificultar las pruebas.
4. La superficie debe prepararse limpiando y eliminando la escala suelta, la pintura, etc., aunque la pintura que está correctamente ligada a una superficie, puede que no necesite ser removida.
5. Las plantas son necesarias para transferir eficazmente la energía de onda ultrasónica entre transductores y partes que se inspeccionan a menos que se utilice una técnica de no contacto. Las técnicas de no contacto incluyen transductores acústicos láser y electromagnéticos (EMAT).
6. El equipo puede ser caro.
7. Requiere normas de referencia y calibración.

Estándares

International Organization for Standardization (ISO)

• ISO 2400: Pruebas no destructivas - Pruebas ultrasónicas - Especificación para el bloque de calibración No. 1 (2012)
• ISO 7963: Pruebas no destructivas — Pruebas ultrasónicas — Especificación del bloque de calibración No. 2 (2006)
• ISO 10863: Pruebas no destructivas de soldaduras - Pruebas ultrasónicas - Uso de la técnica de difracción del tiempo de vuelo (TOFD) (2011)
• ISO 11666: Pruebas no destructivas de soldaduras — Pruebas ultrasónicas — Niveles de aceptación (2010)
• ISO 16809: Pruebas no destructivas -- Medición de espesor ultrasónico (2012)
• ISO 16831: Pruebas no destructivas -- Pruebas ultrasónicas -- Caracterización y verificación del equipo de medición del espesor ultrasónico (2012)
• ISO 17640: Pruebas no destructivas de soldaduras - Pruebas ultrasónicas - Técnicas, niveles de prueba y evaluación (2010)
• ISO 22825, Pruebas no destructivas de soldaduras - Pruebas ultrasónicas - Prueba de soldaduras en aceros austríticos y aleaciones basadas en níquel (2012)
• ISO 5577: Pruebas no destructivas - Inspección ultrasónica - Vocabulario (2000)

European Committee for Standardization (CEN)

• EN 583, Pruebas no destructivas - Examen ultrasónico
• EN 1330-4, Pruebas no destructivas - Terminología - Parte 4: Términos utilizados en pruebas ultrasónicas
• EN 12668-1, Pruebas no destructivas - Caracterización y verificación del equipo de examen ultrasónico - Parte 1: Instrumentos
• EN 12668-2, Pruebas no destructivas - Caracterización y verificación del equipo de examen ultrasónico - Parte 2: Sondas
• EN 12668-3, Pruebas no destructivas - Caracterización y verificación del equipo de examen ultrasónico - Parte 3: Equipo combinado
• EN 12680, Fundamentos - Examen ultrasónico
• EN 14127, Pruebas no destructivas - Medición de espesor ultrasónico

(Nota: parte de las normas CEN aceptadas en Alemania como DIN EN y en la República Checa como CSN EN).