Inspeccion Por Ultrasonido

INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO

La inspección por ultrasonido es un método no destructivo en el cual un haz o un conjunto de ondas de alta frecuencia son introducidos en los materiales para la detección de fallas en la superficie y subsuperficie. Las ondas de sonido viajan a través del material disminuyéndose paulatinamente y son reflejadas a la interfase. El haz reflejado es mostrado y analizado para definir la presencia y localización de fallas y discontinuidades. El grado de reflexión depende grandemente en el estado físico de los materiales que forman la interfase. Por ejemplo: las ondas de sonido son reflejadas casi totalmente en las interfaces gas/metal. Por otro lado existe una reflectividad parcial en las interfaces metal/sólido. Grietas, laminaciones, poros, socavados y otras discontinuidades que producen interfaces reflectivas pueden ser detectadas fácilmente Inclusiones y otras partículas extrañas pueden ser también detectadas causando baja reflexión.

Imagen que muestra un esquema general del proceso UT.

La mayoría de los instrumentos de inspección ultrasónica detectan fallas monitoreando uno más de los siguientes puntos:

La reflexión del sonido de las interfaces consistentes en los límites del material o en discontinuidades dentro del material mismo.

El tiempo de tránsito de la onda de sonido durante la prueba dentro de la pieza desde el punto de entrada del transductor hasta el punto de salida.

La atenuación de las ondas de sonido en la pieza debido a la absorción y dispersión dentro de la pieza.

La mayoría de las inspecciones ultrasónicas son realizadas en frecuencias entre 0.1 y 25 MHz. Las onda de ultrasonido son vibraciones mecánicas, las amplitudes de las vibraciones producen esfuerzos en las piezas por debajo de su límite elástico, de esta manera los materiales no producirán deformaciones plásticas.

La inspección ultrasónica es el método no destructivo más comúnmente utilizado. Su principal aplicación es la detección de discontinuidades y defectos internos, aunque también es utilizado para detectar defectos superficiales, para definir características de la superficie tales como: medida de corrosión y espesor. Y con frecuencias menores se sirve para determinar el tamaño de grano, estructura, y constantes elásticas.

Equipo básico

La mayoría de los equipos de inspección por ultrasonido incluyen el siguiente equipo básico:

Un generador electrónico de señal que produce ráfagas de voltaje alternadas.

Un transductor que emite un haz de ondas ultrasónicas cuando las ráfagas de voltaje alternado son aplicadas.

Un acoplador para transferir la energía de las ondas de ultrasonido a la pieza de trabajo.

Un acoplador que transfiere la salida de las ondas de sonido (energía acústica) de la pieza al transductor.

Un transductor (puede ser el mismo que el transductor que inicia las ondas ultrasónicas o puede ser otro diferente) para aceptar y convertir la ondas de ultrasonido de salida de la pieza de trabajo en ráfagas de voltaje. En la mayoría de los sistemas un transductor simple actúa como emisor y receptor.

Un dispositivo electrónico para amplificar y modificar las señales del transductor.

Un dispositivo de salida que muestre la información resultante y la proyecte ya sea impresa o en pantalla.

Un reloj electrónico o un cronómetro para controlar la operación de varios componentes del sistema.

Características generales de las ondas ultrasónicas

Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas (en contraste por ejemplo con los rayos x que son ondas electromagnéticas) que consisten en vibraciones oscilatorias de partículas atómicas o moleculares de una substancia. Las ondas de ultrasonido se comportan igual que las ondas onda de sonido audible. Se pueden propagar a través de un medio elástico, ya sea sólido, líquido o gaseoso, pero no al vacio. En varios aspectos, un haz de ultrasonido es similar a un haz de luz, ambos son ondas y obedecen a la ecuación general de ondas. Cada onda viaja con características diferentes las cuales dependen del medio en el que se propaguen no de las características de la onda. Como un haz de luz, un haz de ultrasonido es reflejado de las superficies, refractado cuando cruza las fronteras entre dos substancias que tienen diferentes características de velocidades y difractados en los bordes o alrededor de los obstáculos.

Propiedades de las ondas ultrasónicas

Las ondas ultrasónicas pueden desplazarse por el medio en forma de ondas longitudinales (las partículas vibran en la dirección de propagación de la onda), transversales (las partículas vibran perpendicularmente) o de superficie (los movimientos de las partículas forman elipses en un plano paralelo a la dirección de propagación y perpendicular a la superficie). Los ultrasonidos van a tener una característica muy importante que los diferencia de los sonidos de menor frecuencia, la direccionalidad, es decir, la onda ultrasónica no se propaga en todas direcciones sino que forma un haz de pequeño tamaño que puede ser "enfocado".

Además, de un modo análogo a lo que sucede con una onda luminosa, se pueden aplicar lentes acústicas que pueden modular el haz ultrasónico. Esto permite focalizar nuestro haz sobre la zona a explorar, quedando fuera de foco las que están situadas por delante o detrás de ese punto, es decir, lo mismo que en las ondas luminosas, existe el concepto de "profundidad de foco", que se aplicaría a todas las estructuras que quedan enfocadas utilizando un haz de unas características determinadas.

Ondas longitudinales ultrasónicas

Algunas veces llamadas ondas de compresión, son el tipo de ondas ultrasónicas mayormente utilizadas en la inspección de materiales. Estas ondas viajan a través de los materiales como series alternadas de compresión y succión en las cuales las partículas transmiten las vibraciones de regreso y la dirección de viaje de las ondas. Las ondas longitudinales ultrasónicas y su correspondiente oscilación de partícula y onda de succión y compresión resultante se muestran esquemáticamente en la siguiente figura

Una gráfica de la amplitud del desplazamiento de partícula versus viaje de onda en conjunto con la onda de succión a través de una cresta de compresión se muestra en la siguiente figura.

Amplitud del desplazamiento de partícula versus viaje de onda

La longitud de onda λ es la distancia correspondiente a un ciclo completo

La distancia de una cresta a la otra (que es igual a la distancia de un ciclo completo de succión y compresión) es la longitud de onda λ. El eje vertical en la figura anterior puede representar presión en lugar de desplazamiento de partícula. El eje horizontal puede representar tiempo en lugar de distancia de viaje debido a que la velocidad del sonido es constante en un material dado y porque esta relación es usada en mediciones en inspecciones por ultrasonido.

Las ondas longitudinales ultrasónicas se propagan rápidamente en líquidos y gases así también como en sólidos elásticos.

La velocidad de una onda longitudinal ultrasónica es de 6000 m/s en aceros, 1500 m/s en agua y 330 m/s en aire.

Ondas transversales ultrasónicas

Las ondas transversales son también utilizadas ampliamente en la inspección ultrasónica de los materiales. Podemos visualizar las ondas transversales en términos de vibraciones como una cuerda que se agita rítmicamente en la que cada partícula en lugar de vibración paralela a la dirección del oleaje como a la onda longitudinal, vibra hacia arriba y hacia abajo en un plano perpendicular a la dirección de propagación.

Una onda transversal se ilustra esquemáticamente en la siguiente figura, donde se muestra la oscilación de la partícula, el frente de onda, dirección del viaje de la onda y longitud de onda correspondiente a un ciclo.

Esquema de ondas transversales (de corte).

La longitud de onda λ es la distancia correspondiente a un ciclo completo

A diferencia de las ondas longitudinales, las ondas transversales no pueden ser soportadas por una colisión elástica de las partículas o moléculas adyacentes. Para la propagación de ondas transversales es necesario que cada partícula exhiba una elevada fuerza de atracción con las partículas o moléculas vecinas de tal manera que la partícula se pueda mover hacia atrás y adelante moviendo a la partícula vecina causando de este modo que el sonido se mueva a través del material con la velocidad asociada a las ondas transversales que es aproximadamente el 50% de la velocidad de las ondas longitudinales para el mismo material.

Aire y agua no soportan las ondas transversales, en los gases las fuerzas de atracción de las moléculas son tan pequeñas que las ondas transversales no pueden ser transmitidas.

Ondas superficiales

Son otro tipo de ondas ultrasónicas utilizadas en la inspección de materiales. Estas ondas viajan a través de la superficie plana o curva de materiales sólidos. Para la propagación de ondas de este tipo, las ondas deben de viajar a través de una interfase limitada. Por un lado por las fuerzas elásticas de un sólido y por el otro lado fuerzas prácticamente insignificantes producidas por moléculas de gas.

Las ondas superficiales están sujetas a sufrir atenuación en un material dado como lo hacen

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