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INFORME DE PRATICA EQUIPO DE ULTRASONIDO

Presentado por:

JORGE ESNEIDER PARRA R. CC 71229184

Presentado a:

CLAVER RAMIREZ A.

Materia ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES

MEDELLÍN, DICIEMBRE DE 2012

OBJETIVOS GENERALES

•

Mediante la utilización de ensayos no destructivos, detectar posibles discontinuidades en los materiales y ofrecer una recomendación de aceptación o rechazo del material, dependiendo del uso para el cual este destinado.

•

Conocer cómo funciona el equipo de ultrasonido, teniendo en cuenta las normas internacionales que lo rigen y de acuerdo a esto interpretar la datos arrojados por el equipo como resultado de examinar la pieza.

•

Familiarizarse con los diferentes captadores utilizados como de sus propiedades a la hora de realizar el ensayo y dependiendo de esté el tipo de acoplante a utilizar.

MARCO TEORICO Ultrasonido: El aprovechamiento del ultrasonido ha ganado espacio importante entre las técnicas de Ensayos No-destructivos. Se considera ultrasonido aquellas oscilaciones de presión que poseen frecuencias por encima de la gama audible (esto es, superior a 20 000 Hz). El equipamiento utilizado para la aplicación de estas técnicas es capaz de generar, emitir y captar haces de ondas muy bien definidas sujetas a las leyes de reflexión al encontrar en su trayectoria un cambio en las propiedades físicas del medio en el cual se propagan. Al ser captadas, son analizadas según el objetivo del equipamiento y con la determinación del tiempo transcurrido desde su emisión hasta su recepción, puede conocerse la distancia recorrida, al ser la velocidad previamente establecida. El ensayo por ultrasonido es un método no destructivo, en el cual un haz sónico de alta frecuencia (125 KHz a 20 MHz) es introducido en el material a ser inspeccionado con el objetivo de detectar discontinuidades internas y superficiales. El sonido que recorre el material es reflejado por las interfaces y es detectado y analizado para determinar la presencia y localización de discontinuidades. Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o un cerámico piezoeléctrico denominado transductor y que tiene la propiedad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente el transductor vibra a altas frecuencias generando ultrasonido. Las vibraciones generadas son recibidas por el material que se va a inspeccionar, y durante el trayecto la intensidad de la energía sónica se atenúa exponencialmente con la distancia del recorrido. Al alcanzar la frontera del material, el haz sónico es reflejado, y se recibe el eco por otro (o el mismo) transductor. Su señal es filtrada e incrementada para ser enviada a un osciloscopio de rayos catódicos.

Equipo para realizar análisis de ultrasonido USM GO

PRINCIPIOS FÍSICOS • •

Amplitud (A): Es el desplazamiento máximo de una partícula desde su posición de cero. Frecuencia (F): Se define como el número de veces que ocurre un evento repetitivo (ciclo) por unidad de tiempo. Su unida Hertz.

• • •

Longitud de onda ( λ ): Es la distancia ocupada por una onda completa y es igual a la distancia a través de la cual se mueve la onda por periodo de ciclo. Velocidad de propagación o velocidad acústica (V): Es la velocidad de transmisión de la energía sonora a través de un medio. Impedancia acústica (Z): Es la resistencia de un material a las vibraciones de las ondas ultrasónicas. Es el producto de la velocidad máxima de vibración por la densidad del material.

Definición y naturaleza de las ondas ultrasónicas Son ondas mecánicas vibratorias o sea para que se propague el ultrasonido, se requiere que las partículas del medio ya sea liquido, aire o sólido oscilan alrededor de sus posiciones de equilibrio Diferencia entre sonido y ultrasonido Son de la misma naturaleza, lo que la diferencia es su frecuencia así: • •

ondas sónicas: frecuencia entre 16 y 20000 ciclos por segundos. ondas ultrasónicas: frecuencias mucho mayores de 20000 ciclos por segundos.

Para materiales metálicos: se opera entre 1 y 5 mhz pero se pueden trabajar con frecuencias mucho mayores. Para materiales no metálicos: ej: cerámicos, trabajan con frecuencias menores de 1mhz (¼, ½ mhz). Tipos de ondas • • •

Ondas longitudinales: Sus desplazamientos de las partículas son paralelos de propagación del ultrasonido. Ondas transversales: Los desplazamientos de las partículas es en forma perpendicular a la dirección del haz ultrasónico. Ondas superficiales: Son aquellas que se desplazan sobre la superficie del material y penetran a una profundidad máxima de una longitud de onda.

Los principales parámetros que deben ser controlados en un sistema ultrasónico son: Sensibilidad: Es la capacidad de un transductor para detectar discontinuidades pequeñas. Resolución: Es la capacidad para separar dos señales cercanas en tiempo o profundidad. Frecuencia central: Los transductores deben utilizar en su rango de frecuencia especificado para obtener una aplicación óptima. Atenuación del haz: Es la pérdida de energía de una onda ultrasónica al desplazarse a través de un material. Las causas principales son la dispersión y la absorción. Transductores: Es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica (ondas sonoras) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que

ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales. Materiales Usados Como Transductores En Los Palpadores: Cuarzo, Sulfato de litio, Titanato de bario, Metaniobato de bario, Zirconato, titanato de plomo. PALPADOR En la detección de discontinuidades la principal herramienta de la técnica ultrasónica es el palpador o sonda, figuras 1a y 1b. 3

1

2

1

5

3 4

6

a) Palpador Normal (sección)

• • • • • • • •

1. 2. 3.

2 5 7

4

4. 5. 6. 7.

Carcasa Conector Bloque de amortiguamiento Cristal Elemento piezoeléctrico Superficie protectora Cuña plástica

b) Palpador Angular (sección)

Elevada sensibilidad de detección. Poca dependencia de la geometría de la pieza, bastando en la generalidad de los casos, el acceso a una sola de las caras. Posibilidad de inspeccionar volumétricamente el material, aún tratándose de grandes espesores, del orden hasta de un metro en metales. Rapidez de la inspección y resultado inmediato. Utilización de aparatos manuales y de poco peso. Muy poco gasto en materiales de consumo y energía eléctrica. Posibilidad de utilizar el mismo equipo en distintos tipos de examen como, detección de defectos y medición de espesores. Ausencia de riesgos para el operador y el personal circundante.

• Tipos De Palpadores: 1. Palpador de contacto: Se coloca directamente en la superficie de prueba aplicando presión y un medio de acoplamiento. Se fabrica para inspecciones de haz recto. Para proteger el transductor de la abrasión, se cubre con un material duro como el oxido de aluminio. 2. Palpadores de haz recto: Emite ondas longitudinales con frecuencias de 0.5 a 10 MHz. Se emplea generalmente para la inspección de piezas en las que se puede colocar directamente la unidad de prueba sobre el área de interés las discontinuidades son

paralelas a la superficie de contacto. También es útil en la detección de discontinuidades y en la medición de espesores. 3. Palpadores de incidencia angular: Genera ondas de corte, de superficie y de placa. Se construye acoplando una unidad de haz recto a una de las caras de una zapata de plástico, al cual presenta determinado ángulo de refracción. Se emplean los equipos de pulso eco y su aplicación es casi exclusiva en la detección de discontinuidades orientadas perpendicularmente a la superficie de prueba. 4. Tipos de palpadores angulares: De acuerdo a su tamaño frecuencia, forma, tipo e intercambiabilidad de la zapata. Tienen marcado en la zapata el ángulo de refracción del sonido dentro del material de prueba, los ángulos comerciales para el acero son 35, 45, 60, 70, 80, 90 grados. Transductores: Es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica (ondas sonoras) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales.

Transductores para palpadores

Material

Eficiencia como

Eficiencia

transmisor

como

Sensibilidad

Poder de

Características

resolución

mecánicas

receptor Cuarzo

Mala

Mediana

Escasa

Optima

Buena

Sulfato de litio

Mediana

Buena

Buena

Optima

Soluble en agua

Titanato de

Buena

Mediana

Optima

Mediana

Frágil

Buena

Mediana

Optima

Optima

Buena

Buena

Mediana

Optima

Mediana

Buena

bario Metaniobato de bario Zirconato titanato de plomo

Acoplante: Liquido más o menos viscoso que se utiliza para permitir el paso de las ondas del transductor a la pieza bajo examinación, ya que las frecuencias que se utilizan para materiales metálicos no se transmiten en el aire.

Características Del Líquido Acoplante: • • • • • • • •

Humectabilidad. ( capaz de mojar la superficie y el palpador ) Viscosidad adecuada. Baja atenuación. ( que el sonido se transmita al 100% ) Bajo costo. Removible. No toxico. No corrosivo. Impedancia acústica adecuada.

Tipos de acoplantes • • • •

Aceite Glicerina Grasa Vaselina

Técnicas de ensayo - transmisión. - resonancia. - pulso - eco.

Transmisión

Ventaja: Puede detectar discontinuidades muy cercanas a la superficie. Desventajas: No ubica la discontinuidad. Requiere acceso a las dos superficies. Resonancia: Se consigue que haya resonancia entre un material y el palpador. El palpador es de frecuencia variable, la cual se varía hasta hallar la de resonancia.

Es utilizado para la detección de discontinuidades externas del material, también para la medición de espesores.

Pulso – eco

Se emiten pulsos de ultrasonido y se esperan reflexiones las cuales pueden proceder de superficies posteriores (palpadores normales) o de discontinuidades, por lo tanto en un osciloscopio mediante el principio piezoeléctrico aparecen ecos de fondo para cada reflexión.

Ventajas: • Requiere acceso a una superficie únicamente • Ubica la discontinuidad. Desventaja: • No detecta discontinuidades muy cercanas Un ejemplo de este es el visto en las siguientes imágenes en las cuales se observa un material con indicaciones y otro sin indicaciones

Bloques patrón y de referencia Los resultados de ensayos obtenidos con ultrasonido sólo pueden considerarse aceptables si se tiene la certeza del perfecto funcionamiento del equipo utilizado .

Las condiciones de aptitud del conjunto de elementos que componen un equipo, incluyendo a aquellos externos como palpadores, cables de conexión, etc, se determinan por referencias a ecos producidos por defectos sustitutos (fallas patrón), que se obtienen en elementos de forma de discos, agujeros de fondo plano (FBH), etc, denominados bloques patrones o de referencia, constituidos por materiales cuya naturaleza, dimensiones y discontinuidades resultan perfectamente conocidas. Los equipos utilizados en ensayos con emisión por impulso-eco deben evaluarse a fin de verificar si las características que definen sus empleos no fueron afectadas por cambios de la tensión de alimentación, variaciones de la emisión electrónica, desgaste del cristal o de su suela de protección, etc. Deben controlarse la linealidad horizontal, límite de escala de la línea de base de tiempo, linealidad y límite vertical de la pantalla, resolución, sensibilidad y ruido, puerta de la pantalla, exactitud de controles calibrados de ganancia. Si bien la calibración debe efectuarse periódicamente o cuando tenga lugar una reparación, ajuste, cambio de electrónica o de la fuente de alimentación, es conveniente verificar una o dos características al comienzo de cada jornada de uso del equipo. Téngase presente que la calibración tiene por objeto evaluar al sistema electrónico completo, incluyendo al palpador, instrumentos y accesorios, no estableciéndose límites para ciertos parámetros y frecuencias de ensayo, que sólo el alcance de la determinación puede fijar, los que por lo tanto deben ser previamente especificados. Para el control pueden emplearse distintos tipos de bloques de referencia según las determinaciones a efectuar, pudiendo complementarse el examen con un atenuador externo de precisión. Los bloques patrón más empleados son los normalizados por el Instituto Internacional de la Soldadura (I.I.W.), denominados V-1 y V-2

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS Esta práctica constó de varias sesiones, las cuales inicialmente se enfocaron en el conocimiento del equipo de ultrasonido, se aprendió a programar el equipo, navegar en las bases de datos de materiales que trae por defecto el equipo, y moverse en el software. Luego de esto se dio inicio a la práctica con la calibración y verificación del buen funcionamiento del equipo y finalmente con la evaluación de una soldadura. En esta práctica se utilizo:

Palpadores angulares Material: platina acero blando Espesor: 25mm Soldadura: tope con bisel en X Proceso: SMAW (proceso electrodo revestido)

El ensayo de ultrasonido constó de varias sesiones, las cuales inicialmente se enfocaron en la familiarización del equipo, entre otras cosas, aprender a programar el equipo, modificar las bases de datos, y moverse en el software, ya fuera moviendo las ventanas o aumentando o reduciendo la ganancia. Posteriormente las prácticas consistieron en la calibración y finalmente en la evaluación de una soldadura, hecha sobre dos placas metálicas con un bisel en X mediante el proceso de SMAW.

Calibración La calibración del equipo de ultrasonido implica la evaluación de piezas patrón, con el fin de obtener principalmente la proporcionalidad de la amplitud, la linealidad vertical y horizontal. Inicialmente para determinar el haz y el ángulo de salida del palpador, se toma el palpador que este entre los rangos sugeridos para dichos espesores. Para este caso la calibración se realizará con un palpador de ángulo de 60°, pues el espesor del bloque de calibración es 25mm. Se ubicó en el equipo el material del bloque que fue acero al carbón, el cual tuvo una velocidad de 5920 m/s. Con el fin de obtener más confiabilidad en las medidas se tomaron dos distancias, y se guardó en la base de datos del quipo. Se pudo observar que el ángulo de salida si era 60° y punto de salida era exactamente en el centro del palpador. De esta manera el transductor funciona correctamente.

Para realizar la calibración a una soldadura, se uso el palpador de 60°, y el espesor de la lámina midió 25mm y longitud fueron 100 mm. Como la distancia del palpador a la soldadura fue relativamente cerca, la mediación fue directa, sin embargo se hizo medidas indirectas, la distancia de dos veces la hipotenusa fue:

cos ∝ = =

25 = 50 cos 60

2 = 100

En osciloscopio se pudieron observar dos ecos sin contar el eco inicial. En la primera posición se obtuvo un eco de 25mm y en la siguiente otro de 100mm. La ventana fue usada para comprobar ambos valores. Así mismo se acerco el palpador hasta tener una medición directa, en el osciloscopio se tuvo un solo eco de 50mm. Proporcionalidad de la amplitud Inicialmente se obtuvo una señal en el osciloscopio con un bloque patrón y se llevó a cabo tabla 1 utilizando el control de ganancia y el control de ruido. Con el fin de modificar la ganancia se aumento en 6 db la ganancia respecto al eco inicial. Amplitud de la señal en la pantalla 80% 80% 40% 20%

Control de ganancia - 6 db - 12 db + 6 db + 12 db

Rango de amplitud de la señal en pantalla De 32 a 48 % De 16 a 24 % De 64 a 96 % De 64 a 96 %

Tabla 1. Tabla control de ganancia. Y de la expresión ∆G = 20 log (A2/A1) se obtiene que A2 = 2 A1, es decir que el aumento de la ganancia en 6db equivale aumentar la amplitud de la señal en el doble o en el caso contrario se dividirá el mismo valor. Mediciones Una vez se calibró el osciloscopio, se realizaron algunas mediciones. Se determino nuevamente los ecos de fondo, se partió del cero de la pantalla donde se ubicó el eco inicial y en osciloscopio se observo dos ecos y se logró determinar el espesor de la pieza patrón que fue de 25 mm. En las mediciones hechas se logró observar que hay un efecto marcado entre la distancia y la amplitud de la señal, pues las indicaciones disminuyen una vez se aleja el palpador de estas, lo anterior se puede atribuir a la resistencia que presenta el material ensayado al paso de la onda. Además se observó que se pueden obtener señales de diferente tamaño a igual profundidad, todo debido a la relación de proporcionalidad que hay entre la amplitud y el área de reflexión, en pocas palabras a mayor área de reflexión, mayor amplitud y viceversa. Por otro lado se logró observar que existe una variación de la amplitud en dos materiales diferente con dimensiones iguales, esto es posible explicarlo por la resistividad acústica que presenta cada material. Zona muerta y campo cercano de un palpador Para determinar la zona muerta y a su vez el inicio del campo cercano del palpador se usa la siguiente relación, además es preciso tener en cuenta que el diámetro del palpador es 24mm y la frecuencia es 2 MHz:

=

;

4

sin

= 1.2

Siendo N: longitud de campo entonces: = . = . = .

1

= 5920

∗

2 ∗ 10

(2.4 ∗ 10 ! ) = 4(2.96 ) sin

= 1.2

= 2.96

= 48.6

(2 ∗ 10 (24

) )

= 8.51°

A partir de estos resultados es posible observar que la zona muerta y el campo cercano esta una distancia de 2.96mm del palpador.

Linealidad vertical Obtenga diez (10) señales de fondo, luego tomo dos de ellos consecutivos (pueden ser el 7 y el 8) n y n +1. Se ajusta la ganancia del eco (h n+1) que sea un poco menos del 10% de altura en la pantalla, se determina la altura del eco h n para esa ganancia, y se calcula la relación hn / h(n+1); ahora por cada aumento en dos (2) db se determina la razón hn / h(n+1).

∆G (ganancia 43.8 45.8 47.8 49.8 51.8 53.8 55.8 57.8 59.8

h(n) 10 14 16 20 27 34 42 53 67

h(n+1) 8 11 14 17 23 28 36 45 57

h(n)/h(n+1) 10/8 14711 16/14 20/17 26/23 34/28 42/36 53/45 67/57

VALOR 1.25 1.27 1.14 1.18 1.13 1.21 1.17 1-18 1.18

$̅ =1.19 Se halla el % de desviación de hn / h(n+1) con respecto al valor más repetido de ese cociente. Este % no debe de ser de más o menos el 5%.

% Desviación= (Obtenido - Real)/Real x 100 = &.&' &.&( &,&'

*100 = 5.04%

Linealidad horizontal. Obtenga diez (10) señales de fondo mediante uno de los bloques de referencia y con la ayuda de los controles de ganancia, desplazamiento y barrido; ubique cada señal en cada una de las unidades horizontales de la pantalla.

Señales de fondo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Valor 20.02 39.93 59.85 79.81 99.77 119.72 139.71 160.13 180.07 200-00

El equipo será confiable horizontalmente si la variación no pasa de más o menos 5%. &,-.- &('..& &,-.-

*100 = 0.21%

Determinación de la sensibilidad Para logra esto se utilizo un bloque tipo ASME SEC.V Usado para establecer la respuesta de referencia principal para la inspección de soldadura por ultrasonido. El bloque contiene tres orificios laterales (DAC) a una profundidad de 1.5" con diámetros de entre 3/32" y 3/8" dependiendo del espesor(T) del bloque. La localización de los barrenos a lo largo del espesor so de 1/4, 1/2 y 3/4T. También contiene 2 muescas al 2% de profundidad (0.040" min) del total de espesor X 2.0" de longitud mínimo. De acuerdo con ASTM sección V, artículo 5. Dimensiones: T X 6" min. X 3T. Espesores disponibles de 1/4", 3/8", 1/2", 3/4", 11/2 ", 3", 5", 7" y 9 Se encontró que la sensibilidad estaba en el rango adecuado al encontrar la indicación en el lugar esperado

Bloque tipo ASME SEC.V X = S Sen 60 = 21.65 mm Y = S Cos 60 = 12.5 mm

EVALUACIÓN DE LA PLACA SOLDADA Luego de concluir el proceso de calibración se procedió examinar la muestra problema con el equipo ultrasonido, para esto se preparo la platina con el acoplante, en este caso utilizamos aceite. Luego de esto se procedió a recorrer la platina en la parte soldada con el palpador procurando que la fuerza aplicada sea lo más constante posible para no introducir ruido en la el ensayo, y al mismo tiempo poder efectuar las lecturas de los datos arrojados por el equipo. Como se observa en la imagen

Se encuentra el defecto interno de la pieza en el cordón de la soldadura, el cual es una indicación lineal, la cual se encuentra en el centro del cordón de soldadura en toda su longitud

Y= 0 L= 200 mm P = 12.11 mm

Figura esquema defecto en platina de acero soldada a tope con bisel en x mediante proceso SMAW

CONCLUSIONES •

Se determina que es fundamental para el desarrollo de este tipo de análisis que el equipo se encuentre en perfectas condiciones de calibración, para que los datos arrojados sean confiables.

•

Se logro familiarizar con el equipo y los diferentes tipos de palpadores. como también la utilización de los diferentes bloques patrón para el proceso de calibración, avalados por las normas internacionales.

•

Se determino en una muestra de acero la existencia de un defecto en el proceso de soldadura, y mediante el uso del equipo se determino su ubicación y profundidad

•

El tipo de discontinuidad que posee la pieza soldada corresponde a una indicación alargada, posiblemente se trate de una falta de fusión a lo largo de la línea soldadura

BIBLIOGRAFIA 1. http://www.thermoequipos.com.ve/pdf/articulo_06.pdf 2. http://itzamna.bnct.ipn.mx:8080/dspace/bitstream/123456789/3756/1/INSPECCI ONYCONTROL.pdf 3. http://www.lamingenieria.com/wp-content/uploads/2012/01/HP-LAM-001.pdf 4. http://es.scribd.com/doc/71995627/25/Bloques-patron

5. http://es.scribd.com/doc/29285450/Manual-de-Procedimiento-de-Ensayos-NoDestructivos-Por-El-Metodo-de-Ultrasonido 6. http://www.sistendca.com/DOCUMENTOS/Curso%20Ultrasonido%20Basico.p df 7. http://www.grupokb.com.mx/equipos.php?tipo=Patrones%20de%20Calibracion %20Ultrasonicos