Curso de Ensayos No Destructivos Ultrasonido nivel 1 – Medición de espesores Conceptos básicos y fundamentos de ultrasonido Setiembre – Octubre de 2010 Ing. Silvia Infanzón

Propagación de vibraciones elastoplásticas ONDAS ULTRASÓNICAS: Propagación de vibraciones elastoplásticas El medio no es transportado, solo se producen vibraciones en torno a posiciones de equilibrio Las ondas ultrasónicas se pueden superponer Las ondas se ven afectadas por las limitaciones del medio

Ejemplo: 20 ciclos en 1 segundo = 20 Hz kHz, MHz

v =  f Conceptos básicos: Vibración Desplazamiento Amplitud Frecuencia (f) Longitud de onda () Velocidad acústica (v) Amplitud de la oscilación Presión sonora v =  f

Ondas + _ Tiempo transcurrido Amplitud

Método y técnica de END Ultrasonido es un método de END, porque aplica una misma forma de energía en la pieza (principio de operación). Otros métodos: RT, PT, MT, VT, etc. Una técnica es una forma particular de aplicación de un método de ensayo: por ejemplo: RT: rayos X, gammagrafìa, etc, UT: contacto directo, inmersión etc.

Técnicas de Ensayo Contacto directo Inmersión Transmisión Reflexión o pulso-eco Resonancia

Reflexión impulsos sónicos

MODOS DE VIBRACION Ondas longitudinales o de compresión Ondas transversales o de corte Ondas superficiales o de Rayleigh Ondas de Lamb o de chapa

Ondas longitudinales

Ondas longitudinales   La oscilación de las partículas es paralela a la dirección de propagación de la onda. En líquidos y gases solo es posible este tipo de ondas.

Ondas Transversales La oscilación de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.

Velocidad de propagación Depende del material En general: VT  0.5 VL Las ondas longitudinales son el modo de vibración de mayor velocidad de propagación En las aplicaciones usuales de medición de espesores por ultrasonido se utilizan ondas longitudinales

Velocidad de propagación   ACERO Aluminio AGUA AIRE VL (m/s) 5900 6300 1480 330 VT (m/s) 3230 3130

Medio de acoplamiento El acoplante evacua el aire, que de lo contrario sería una capa del orden de 10-4 mm (0.1 μm) que no permitiría la transmisión acústica Las propiedades principales del acoplante son: No afectar la superficie, no causar corrosión Asegurar un buen contacto acústico del palpador con la pieza Tener suficiente viscosidad para la aplicación en cuestión Se debe usar el mismo acoplante para la calibración y la inspección. Un cambio afecta la sensibilidad del ensayo e influye especialmente cuando se utilizan la amplitud de los ecos (% pantalla) en la evaluación

El acoplante no debe afectar al material a ensayar En el caso de aleaciones en base a níquel, pueden ser dañadas si el acoplante contiene azufre En el caso de aceros inoxidables austeníticos, los haluros (cloruros y fluoruros) pueden ocasionar daños ASME V, Artículo 4 establece los límites de 250 ppm de azufre para aleaciones en base a níquel y 250 ppm de haluros (cloruros + fluoruros) para aceros inoxidables austeníticos

Algunos medios de acoplamiento Productos comerciales diseñados para ese fin Grasa Aceite Vaselina Glicerina Carboximetil celulosa Agua

En la técnica pulso eco, contacto directo: ¿Por qué el aire no permite el pasaje del ultrasonido? ¿Por qué el acoplante si lo permite? ¿Qué cantidad de energía se transmite al incidir la onda ultrasónica en una interfase entre 2 medios?

R + T = 1 La energía reflejada sumada a la transmitida igualan a la energía incidente

Incidencia normal a la interfase entre 2 medios Impedancia acústica Z = ρ V RE = % de energía reflejada en el medio 1 TE = % de energía transmitida al medio 2

Impedancia acústica (Z) El sonido se propaga en un medio debido a la presión Las partículas están ligadas por fuerzas elásticas. La presión acústica, luego de vencer estas fuerzas, hace que la onda se propague en el medio La impedancia acústica es la resistencia del medio al paso del ultrasonido La impedancia acústica es mayor para medios más densos y para mayores velocidades del sonido

Impedancia acústica (Z) Es la resistencia del medio al paso del ultrasonido Z = d V Permite conocer la cantidad de energía que se va a transmitir a través de una interfase entre 2 materiales diferentes Es importante en el diseño de los palpadores Está vinculada con la absorción dentro del medio

Interfase entre 2 medios Se define “interfase” a la superficie entre 2 medios de diferente impedancia acústica Entre 2 medios (o materiales) con impedancias acústicas similares se transmite la mayor parte de la energía y se refleja muy poca Entre 2 medios con impedancias acústicas muy diferentes entre sí no se transmite casi nada de energía y se refleja todo el sonido

Ondas en espacios limitados En la práctica el material en el cual se propagan las ondas tiene dimensiones limitadas. Siempre debemos preguntarnos: ¿Qué sucede cuando una onda se encuentra con una interfase?

Ejemplo: Pieza con caras planas y paralelas Reflexión de ecos múltiple

Palpadores Normales Angulares Duales Palpadores de inmersión Palpadores de contacto Normales Angulares Duales

Palpador normal (monocristal)

Palpador Emisor-Receptor o dual o SE o TR Parte del recorrido sónico se produce dentro del palpador, lo que produce un importante retardo en el palpador

Palpador Emisor-Receptor o dual o SE o TR ER: Emisor-Receptor TR: Transmitter-Receiver SE: Sender-Empfänger Se limita la comunicación directa entre los cristales (cross talk) mediante el blindaje acústico y eléctrico. Es posible usar alta ganancia cuando la aplicación lo requiere (por ejemplo en el caso de piezas con mucha corrosión) sin tener un ruido excesivo

Efecto piezoeléctrico Las ondas ultrasónicas son introducidas por medio de un EMISOR que vibra con una cierta FRECUENCIA, puede tener forma circular o rectangular, y también pueden tener las capacidad de oficiar como RECEPTOR El efecto piezoeléctrico es la propiedad de algunos materiales de transformar la energía eléctrica en oscilaciones mecánicas y viceversa la energía mecánica en eléctrica. A mayor espesor del cristal, menor es la frecuencia del haz producido

Efecto piezoeléctrico Al aplicar una diferencia de potencial al cristal, éste vibra con su frecuencia de excitación, que depende de su composición y su espesor Al someter a los cristales piezoeléctricos a una deformación (por esfuerzos de compresión o tracción) se produce una diferencia de potencial entre las caras involucradas y viceversa.

Materiales piezoeléctricos más utilizados Cuarzo Sulfato de Litio Titanato de Bario Cerámicas: p.e. Metaniobato de Plomo  

Características de los piezoeléctricos Naturaleza: dureza, comportamiento frente a la humedad. Temperatura crítica Módulo piezoeléctrico: cambio de espesor por unidad de voltaje: calidad como emisor. Constante de presión piezoeléctrica: cambio de voltaje por ante un cambio de espesor. calidad como receptor. Coeficiente de amortiguación interna Impedancia acústica Frecuencia característica fundamental: corresponde a ondas longitudinales para 1 mm de espesor.

Comparación de cristales piezoelécticos El Titanato de Bario es el transmisor más eficiente El Sulfato de Litio es el receptor más eficiente El Sulfato de Litio es soluble en agua El Titanato de Bario puede sufrir envejecimiento

Formación del haz ultrasónico

Formación del haz ultrasónico

(D = diámetro del cristal) Campo cercano Es una zona cilíndrica donde hay grandes variaciones de presión de un punto a otro.  Profundidad de campo cercano:  L0 = D2 f / 4 V  (D = diámetro del cristal)

Campo lejano Es una zona tronco cónica divergente donde la presión disminuye gradualmente del centro hacia los bordes.  Ángulo de divergencia  para 20 dB:  tan 0 = 1.08 V / D f  

Clasificación teórica de las zonas del Campo Sónico 1- es difícil detectar discontinuidades pequeñas 2- es posible detectar discontinuidades, dependiendo de su tamaño 3- cualquier discontinuidad compatible con la longitud de onda puede ser detectada Es necesario tener en cuenta no solo la distancia, sino la forma y ubicación respecto al haz para evaluar el tamaño de las discontinuidades

Importancia de la forma del haz ultrasónico La reflexión que se obtiene de una discontinuidad depende de cómo se sitúa la misma respecto al haz ultrasónico Es de importancia el ángulo de incidencia, la forma y dirección de la interfase y la distancia

Atenuación del haz ultrasónico La presión sonora va disminuyendo al alejarnos de la superficie de entrada del haz debido a: Divergencia del haz ultrasónico: La intensidad del haz disminuye en forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia debido a la divergencia del haz (propagación cónica) Absorción Dispersión Absorción+ Dispersión = Atenuación

Absorción de la energía ultrasónica El material absorbe parte de la energía ultrasónica debido a su resistencia mecánica, la que se transforma en calor. Intervienen la fricción viscosa, histéresis elástica y conductividad calorífica o térmica. La energía absorbida para un espesor dado es mayor para frecuencias mayores. En general la pérdida de energía debido a absorción se compensa aumentando la amplificación (dB) en el ensayo

Dispersión del haz ultrasónico Es la reflexión de energía ultrasónica en interfases internas de la pieza. Estas reflexiones se producen en muchas direcciones debido a características del material: ·    estructura cristalina gruesa ·    segregaciones ·    presencia de fases separadas ·    pequeñas fisuras, inclusiones, microcavidades No se produce en los materiales isótropos 100% homogéneos, como ser líquidos, plásticos y lacas, en los cuales no hay diferencia de impedancias en su interior

Granos en un material metálico cristalino La dispersión depende del tamaño de grano respecto a la longitud de onda Dispersión en borde de grano