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• Noel Carpio

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ULTRASONIDO INDUSTRIAL

Ing. Juan Luis Surco Alzamora Nivel II ASNT-SNT-TC-1A-VT-PT-MT-RT-UT

ULTRASONIDO INDUSTRIAL

AGENDA 1.- Introducción al Ultrasonido, ventajas y limitaciones

2.- Ultrasonido, velocidad, frecuencia y longitud de onda 3.- Generación del ultrasonido 4.- Transductores 5.- Modos de onda

6.- Variables involucradas en la técnica de Ultrasonido 7.- Operación básica del equipo de ultrasonido

• INTRODUCCIÓN:

• CARACTERÍSTICAS: • • • • • • •

Velocidad de Propagación Longitud de Onda Modos de Onda Impedancia Acústica Reflexión Refracción Difracción

• ONDAS ULTRASÓNICAS: Las ondas ultrasónicas son caracterizadas por vibraciones mecánicas periódicas representadas por “movimientos ondulatorios”(ondas sinusoidales). De este movimiento ondulatorio debe mencionarse que cuenta con varias características de importancia tales como: 1.Ciclo 2.Longitud de onda 3.Frecuencia 4.Velocidad

• ONDAS ULTRASÓNICAS: 1.Ciclo: Es la repetición completa del movimiento de onda. Puede definirse como también como “la repetición completa del movimiento de la partícula”. 1.Longitud de Onda: Se puede definir como “la distancia requerida para completar un ciclo”, o “la distancia desde un punto dado en un ciclo al mismo punto en el siguiente ciclo “. Se define como ʎ (lambda).

2.Frecuencia: Se define como el numero total de ciclos que pasan por un punto por unidad de tiempo, normalmente segundo. Se identifica con la letra “f”. En ultrasonido se maneja en unidad “Hertz” (Hz)

Donde: 1 Hertz = 1 ciclo/segundo

• ONDAS ULTRASÓNICAS: 4. Velocidad:

c  f   longitud de onda Velocidad (c)

λ  longitud de onda (m) c  velocidad del sonido (m/s) f  frecuencia (Hz)

• ONDAS ULTRASÓNICAS: Son ondas mecánicas de alta frecuencia (0,2 -25 MHz)... Todo material (sólido: metal, polímero, cerámico, compuesto; líquido) con propiedades elásticas, capaces de retraer las partículas a su posición de reposo, pueden ser sede de la propagación de ondas sónicas y de U.S. En los metales, que poseen una estructura cristalina las partículas elementales pueden ser perturbadas de modo que describan oscilaciones con trayectorias diversas.

• ONDAS ULTRASÓNICAS: Cuerpo sólido líquido o gaseoso

Propagación de la onda

Excitación

Oscilación

ONDA = PROPAGACION DE UNA OSCILACION • El sonido depende del coeficiente elástico del material • Onda y propagación paralelos = ONDA LONGITUDINAL • Onda y propagación perpendiculares = ONDA TRANSVERSAL

• ONDAS ULTRASÓNICAS: gas

• low density • weak bonding forces

liquid

• medium density • medium bonding forces

solid

• high density • strong bonding forces • crystallographic structure

Ventajas •

Elevada Sensibilidad (λ / 2) y mayor exactitud en la determinación de la posición de discontinuidades internas, tamaño, etc.

•

Gran poder de penetración, lo cual le permite inspeccionar grandes espesores.(metros de metal)

•

Gran exactitud, para determinar la posición, tamaño y forma de las discontinuidades.

•

Sólo se requiere una superficie de acceso (en la mayoría de los casos), eso simplifica el proceso de inspección.

•

Su interpretación es inmediata.

•

No existe ningún riesgo en su aplicación.

•

Los equipos utilizados son portátiles, y con gran autonomía.

Limitaciones Naturaleza del material (impedancia acústica) Tipo de estructura interna (tamaño de grano, fases). Condición de la superficie. se hace difícil en superficies demasiado rugosas, irregulares, muy pequeñas y delgadas Mayor conocimiento y entrenamiento del personal.

La inspección manual requiere mucha atención y concentración Requiere de un patrón de referencia para calibrar como para caracterizar la discontinuidad Falta de un documento objetivo de su ejecución. (hoy en día se puede registra a través de una computadora)

Interpretación relativa, alto costo del equipo y accesorios. Se requiere gran conocimiento para establecer correctamente los criterios y procesos de inspección .

Ultrasonido Principio Físico Se basa en la ....

PROPAGACION REFLEXION REFRACCION

Propagación Probe

Flaw el U.S. viaja en línea recta con velocidad constante (Vs) en un determinado medio...

D = Vs x t Vacero: 5 900m/s

medición de velocidad (caracterización de material), calibración (pantalla) con espesor conocido, determinación de la profundidad de discontinuidad ó espesor de material.

Reflexión Probe

Flaw

*cuando el U.S. encuentra una interfase entre dos medios distintos, se refleja...

*El requisito principal es, que los medios tengan diferente impedancia acústica...

Reflexión Probe

Probe

Probe

• de esta interfase es deseable pero no siempre se ubica a 90 grados de la dirección del haz o que su ingreso sea a 0 grados...

* “felizmente” las fisuras, poros e inclusiones tienen forma irregular....

Refracción

...el cambio de medio , origina un modo de conversión en las ondas de ultrasonido

Tipos de Ondas • Todo material con propiedades elásticas puede ser sede de ondas acústicas y ultrasónicas

• Éstas aparecen al aplicar perturbaciones a las partículas elementales. • Las fuerzas elásticas las traerían a sus posiciones de equilibrio. • Estas perturbaciones se trasmiten con dirección y velocidad constante. • Cuando el material es un metal (posee estructura cristalina) las partículas pueden ser perturbadas describiendo trayectorias diversas, originando: 1. 2. 3. 4.

ONDAS LONGITUDINALES ONDAS TRANSVERSALES ONDAS SUPERFICIALES ONDAS LAMB

Ondas Longitudinales ES LA MAS SIMPLE Y FACIL DE SER PRODUCIDA. En los líquidos y gases es posible la propagación de este tipo de ondas mecánicas.

Longitudinal wave

Direccion de Propagación

Direction of oscillation

Dirección de oscilación paralela a la de propagación

Ondas Longitudinales ...Usada para la detección de laminaciones, discontinuidades y medición de espesores plate

delamination

• Llamadas también ondas de compresión.

• Mayormente usadas en la inspección de materiales • Se caracteriza por que los desplazamientos de partículas son paralelas a la

propagación de las ondas. • Crean zonas de compresión y dilatación (Rarefacción). • Se propagan fácilmente en sólidos, líquidos y gases.

Ondas Transversales Se verifican cuando la onda ultrasónica penetra el material con un cierto ángulo respecto a la superficie. Solo se propaga en materiales sólidos.

Transverse wave Direction of oscillation

Direccion de Propagacion

Ondas Transversales Dirección de oscilación perpendicular a la de propagación uso: Inspección de soldaduras

s Work piece with welding • Conocidas como ondas de corte. • Usadas también en la inspección de materiales. • El movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de las

ondas. • No se pueden formar por colisiones elásticas de las partículas atómicas, se requiere que las partículas tenga fuerza de atracción con las partículas vecinas. • Su velocidad es 50% de la velocidad de las ondas longitudinales. • No se pueden formar en líquidos y gases.

Ondas Superficiales Igual que las transversales, pero en este caso se propaga exclusivamente por la superficie del material . Se generan cuando se alcanza el 2do ángulo critico de refracción.

Profundidad de penetración es igual a λ . Uso: Detección de discontinuidades superficiales

…usada para la detección de discontinuidades dentro de la profundidad efectiva de la superficie accesible…

Selección de la Frecuencia A medida que la frecuencia crece, la longitud de onda decrece, lo cual nos permite detectar indicaciones menores o mejorar la exactitud en la medición de espesores. A medida que la frecuencia decrece, la longitud de onda crece, lo cual nos permite una mayor penetración en materiales muy gruesos o atenuantes. Otros factores como el campo cercano, divergencia del haz y diámetro del haz afectarán también la selección de la frecuencia a utilizar. Las técnicas comunes de ultrasonido convencional, como el pulso/eco por contacto en aceros de grano fino generalmente utilizan para dicha inspección frecuencias entre 2.25 Mhz y 5.0 Mhz. Los aceros de mediano contenido de carbono son generalmente inspeccionados con frecuencias entre 1.0 Mhz y 5.0 Mhz. Los aceros de alto carbono o altamente aleados pueden requerir de frecuencias en el rango de 0.5 Mhz a 1.0 Mhz para su inspección. Los plásticos y cerámicos muy delgados utilizan frecuencias de 20.0 Mhz o mayor para su inspección. Como regla general la longitud de onda deberá ser el doble de la indicación más pequeña que se desea detectar.

Conociendo el decibel El decibel (dB) es una unidad de comparación, como por ejemplo entre dos intensidades, dos niveles de potencia o ganancia, o si se quiere ver en forma gráfica en la pantalla de un osciloscopio, entre dos amplitudes de onda. Su fórmula es:

dB = 20 Log10 (A2 / A1)

dB = 20 Log10 (Intensidad dada / intensidad de referencia) Si yo tengo un amplificador de 50 w, y un amigo mio se compra uno de 100 w. ¿Cuántos dB de diferencia tiene éste con el mío? dB = 20 Log10 (100 / 50)  20 Log (2)  20 x 0.3010299957  6 Según esto, el amplificador de mi amigo tiene 6 dB más que el mío, o lo que es lo mismo, le duplica la potencia.

Comprendiendo el decibel Veamos que relación hay con los siguientes valores, si partimos de 100 como valor de referencia y vamos duplicando la cifra cada vez: 1.2.3.4.-

200 400 800 1,600

   

20 Log (200/100) 20 Log (400/100) 20 Log (800/100) 20 Log (1,600/100)

   

6 dB 12 dB 18 dB 24 dB

Entonces podemos deducir que cada vez que se duplica el valor (la potencia, la amplitud o la ganancia), hay un incremento de 6 db. dB 0.0

Ratio 1.00 : 1

dB 7.0

Ratio 2.24 : 1

0.5

1.06 : 1

8.0

2.51 : 1

1.0

1.12 : 1

9.0

2.82 : 1

2.0

1.26 : 1

10.0

3.16 : 1

3.0

1.41 : 1

11.0

3.55 : 1

4.0

1.58 : 1

12.0

3.98 : 1

5.0 6.0

1.78 : 1 2.00 : 1

13.0 14.0

4.47 : 1 5.01 : 1

Tabla de Decibeles 

Ondas Un Ciclo

Amplit ud

Un Segundo Este es el gráfico de una onda de dos ciclos por segundo

Longitud de Onda () (Wavelength)

V e l o c i d a d ( K m / s e g )  (mm)             Frecuencia (Mhz) La indicación mínima detectable es /2, por lo tanto: (V

/ F) / 2

El conocimiento de la longitud de onda nos sirve para saber el tamaño mínimo de una indicación que necesitemos detectar, como datos, debemos tener: la velocidad del ultrasonido en el material en particular, y la frecuencia del transductor que vamos a utilizar.

V/F

VxF

F  V /

Longitud de Onda en relación con el Tamaño de la Indicación

Indicación

Longitud de Onda en relación con el Tamaño de la Indicación

Indicación

Velocidad longitudinal en el acero: 5.89 Km/seg Velocidad Transversal del acero: 3.24 Km/seg

Frecuencias a utilizar: 1, 2.25, 5 y 10 Mhz

 = 5.89 / 1.00 =>

 = 3.24 / 1.00 =>

 = 5.89 / 2.25 =>

 = 3.24 / 2.25 =>

 = 5.89 / 5.00 =>

 = 3.24 / 5.00 =>

 = 5.89 / 10.0 =>

 = 3.24 / 10.0 =>

Pregunta: ¿con que tipo de onda podemos detectar indicaciones de menor tamaño?

Por convención, la mínima indicación detectable es de /2 Sin embargo es posible detectar indicaciones menores

Velocidad longitudinal en el acero:

5.89 Km/seg

Velocidad Transversal del acero:

3.24 Km/seg

Frecuencias a utilizar:

1,

2.25,

5 y 10 Mhz

 = 5.89 / 1.00 =>

5.89 mm

 = 3.24 / 1.00 => 3.24 mm

 = 5.89 / 2.25 =>

2.62 mm

 = 3.24 / 2.25 => 1.44 mm

 = 5.89 / 5.00 =>

1.18 mm

 = 3.24 / 5.00 => 0.65 mm

 = 5.89 / 10.0 =>

0.59 mm

 = 3.24 / 10.0 => 0.32 mm

Pregunta: ¿con que tipo de onda podemos detectar indicaciones de menor tamaño?

Por convención, la mínima indicación detectable es de /2 Sin embargo es posible detectar indicaciones menores

TRANSDUCTORES

Transductores PULSO - ECO

Transductores TIPO DUAL

Transductores TIPO DUAL

Transductores TRANSDUCTORES ANGULARES CON ZAPATAS

Transductores DELAY LINE

Transductores

Transductores

HAZ ULTRASONICO

HAZ ULTRASONICO

HAZ ULTRASONICO

HAZ ULTRASONICO

La Longitud de Onda y su Relación con otras Variables Ultrasónicas

A medida que la frecuencia aumenta: 1.- la longitud de onda disminuye 2.- la detectabilidad aumenta

4.- la penetración aumenta 5.- la divergencia del haz disminuye

Refracción en Segundo Medio Conversión de Modo: Cada vez que un haz sónico pasa por una interfase se produce un haz secundario convertido. Por ejemplo de un haz longitudinal pasando por una interfase, obtendremos un haz convertido de ondas transversales, además del longitudinal. Refracción: Cuando un haz pasa de un medio menos denso a uno más denso (Z1 < Z2), dicho haz se aleja de la normal. Cuando un haz pasa de un medio más denso a uno menos denso (Z1 > Z2), dicho haz se acerca a la normal.

Ley de Snell: Esta ley de la refracción relaciona los ángulos incidente y refractado, con las velocidades dentro de dos materiales con impedancias acústicas distintas, si ambas son iguales los ángulos, incidente y refractado son iguales.

Refracción en Segundo Medio Medio X Z1 Haz Incidente (longitudinal)

Interfase

Medio Y Z2

Haz Reflejado

I  r Haz Refractado (longitudinal)

Haz Convertido (transversal)

Refracción en Segundo Medio similar a la refracción de la luz...

...cuando un haz incide en una interfase en un ángulo distinto a cero se produce refracción de dicho haz en el segundo medio...

Refracción

Refracción

Ley de Snell ¿Cuál será el ángulo de incidencia para un medio Lucita / Aluminio, si deseamos un ángulo refractado de 70º? Velocidad longitudinal en Lucita: 2.680 Km/seg Velocidad transversal en Aluminio: 3.130 Km/seg Seno  I Velocidad material 1 Seno  I

Seno º

Velocidad material 2

Seno º

 = sen-1 (2.680 / 3.130) x sen 70º

2.680

3.130

 55.344º

Refracción – 1er Angulo Critico

..valor del ángulo de incidencia 01 para el cual el ángulo de refracción de las ondas longitudinales en el Medio 2 se hace 90 grados…. ..cuando el ángulo de incidencia es igual ( o mayor) al 1er ángulo crítico , en el segundo medio dejan de propagarse las ondas longitudinales refractadas, quedando solo las transversales...

Primer ángulo crítico

Es aquel ángulo de incidencia que da como resultado que el ángulo de la onda longitudinal refractada sea 90º. De esta forma se forma un tipo especial de ondas superficiales, llamadas Creeping Waves. Al interior del material sólo quedan las ondas transversales. Medio X Z1

Haz Incidente (longitudinal)

Interfase

Medio Y Z2

I

r

Haz Reflejado

Creeping waves

Haz Convertido (transversal)

Haz Refractado (longitudinal)

Refracción – 2do Angulo Critico

..valor del ángulo de incidencia 01 para el cual el ángulo de refracción de las ondas transversales se hace 90 grados ... ..este es el origen de las ondas superficiales (Rayleigh)...

Segundo ángulo crítico Es aquel ángulo de incidencia que da como resultado que el ángulo de la onda transversal refractada sea 90º. De este modo se forma un tipo especial de ondas superficiales, llamadas Rayleigh Waves. Al interior del material, no queda ningún tipo de onda. Medio X

(longitudinal)

Z1

Interfase

Medio Y Z2

r

Haz Incidente

Haz Refractado (longitudinal)

Haz Reflejado

I

Rayleigh waves Haz Convertido (transversal)

Refracción

Refracción

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance

Cara A T

T = Thickness (espesor) Cara B

Cordón de Soldadura

No podemos comenzar a trabajar en mediciones angulares si no conocemos este parámetro, debemos utilizar un vernier, una regla, o en su defecto el mismo equipo de ultrasonido, asegurándonos que sabemos como hacerlo.

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance BIP



Cara A

T Cara B T = Thickness (espesor)

Cordón de Soldadura

1º Leg = camino que recorre el ultrasonido desde el BIP, (Beam Index Point), hasta rebotar con el fondo (cara B). Su longitud (Leg Length) es calculable en función de T y del ángulo del haz refractado dentro del material:  .

Leg Lenght = T / cos 

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance BIP



Cara A

T Cara B

Cordón de Soldadura 2º Leg = camino que recorre el ultrasonido desde rebotar con el fondo (cara B) hasta volver a tocar la cara A, su longitud (Leg Length) es la misma de la primera, y es calculable por la misma fórmula: Leg Lenght = T / cos 

V-Path

V-Path = 2T / cos 

El V-Path es la suma de ambas Legs (piernas o patas), y se calcula por la siguiente fórmula:

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance BIP



Cara A

Skip Distance (SkD)

T Cara B

V-Path

Cordón de Soldadura

Skip Distance = la distancia superficial que hay entre el BIP y el punto donde la 2º Leg toca la cara A. Sirve para determinar la zona de barrido (inspección); la cual se marcará haciendo una línea entre el SkD y SkD/2 a lo largo del cordon de soldadura, de forma tal que delimitamos la zona de barrido, es decir por donde vamos a pasar nuestro transductor. Es necesário revisar toda la zona delimitada por la SkD con haz normal para detectar laminaciones, antes de inspeccionar con haz angular

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance

Skip Distance (SkD) Cara A T Cara B Desplazamiento del transductor

Cordón de Soldadura

Barrido = al comenzar a desplazar el transductor desde la SkD hacia el cordón de soldadura, podremos apreciar que la 2º Leg comienza a barrer hacia abajo la cara lateral de dicho cordón…

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance

Skip Distance (SkD) Cara A T

Cara B Desplazamiento del transductor

Cordón de Soldadura

Barrido = al comenzar a desplazar el transductor desde la SkD hacia el cordón de soldadura, podremos apreciar que la 2º Leg comienza a barrer hacia abajo la cara lateral de dicho cordón… hasta que vamos llegando a la raíz…

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, V-Path, Skip Distance Area de barrido X Y Skip Distance

Cara A

2

T Cara B

Skip Desplazamiento del transductor

Cordón de Soldadura

Barrido = al comenzar a desplazar el transductor desde la SkD hacia el cordón de soldadura, podremos apreciar que la 2º Leg comienza a barrer hacia abajo la cara lateral de dicho cordón… hasta que vamos llegando a la raíz… cuando llegamos a ella, la raíz se puede inspeccionar en la 1º Leg, y el punto donde se encuentra el BIP viene a ser SkD/2.

El área definida entre X e Y a lo largo del cordón es el Área de Barrido.

Mediciones Angulares Zona de Barrido SkD y SkD/2 SkD SkD/2

X

Y

Y Cordon de soldadura

SkD

SkD

de cada lado del cordón

X

Mediciones Angulares Thickness, First Leg, Second Leg, Leg Length, V-Path, Skip Distance Skip Distance (SkD) Cara A

desplazamiento

Skip Distance / 2

 T Cara B

Cordón de Soldadura

V-Path

SkD = 2T x Tangente de 

V-Path = 2T / coseno de 

Leg Length = T / coseno de 

Mediciones Angulares Thickness, V-Path, First Leg, Second Leg, Leg Length, Skip Distance Skip Distance BIP (SkD) BIP Skip Distance / 2 Cara A



T

Cara B T = 9 mm

 = 70º

SkD = 2 x 9 x tan 70

Cordón de Soldadura

V-Path  49.45 mm

El área de barrido está entre 50 mm y 25 mm.

V-Path = 2 x 9 / cos 70  52.63 mm

Verificar los cálculos

Leg length = 9 / cos 70  26.31 mm El SkD DEBE ser revisado con haz normal antes del angular

Mediciones Angulares Sound Path, Surface Distance, Depth (Caso 1)

A

Surface Distance



C

T

Depth B Indicacion

En este caso específico el Sound Path < = Leg Length, ya que la indicación está En la 1º Leg. Esto es importante tenerlo en cuenta para decidir la fórmula para depth a aplicarse. Sound Path es la distancia recorrida por el ultrasonido, desde el BIP hasta encontrarse con una indicación, (A – B). Usualmente es medida por el equipo de ultrasonido. Surface Distance es la distancia superficial que hay desde el BIP hasta el punto en la superficie donde nace la vertical hasta la indicación, (A – C). Depth es la distancia vertical que hay desde la superficie (cara A) hasta la indicación, (B – C).

Mediciones Angulares Sound Path, Surface Distance, Depth (Caso 2) A

Surface Distance

D



T

Depth

C B

Indicacion

En este caso específico el Sound Path > Leg Length, ya que la indicación está En la 2º Leg. Esto es importante tenerlo en cuenta para decidir la fórmula para depth a aplicarse.

Sound Path es la distancia recorrida por el ultrasonido, desde el BIP hasta encontrarse con una indicación, (A – B – C). Usualmente es medida por el equipo de ultrasonido. Surface Distance es la distancia superficial que hay desde el BIP hasta el punto en la superficie donde nace la vertical hasta la indicación, (A – D). Depth es la distancia vertical que hay desde la superficie (cara A) hasta la indicación, (C – D).

Mediciones Angulares Sound Path, Surface Distance, Depth Surface Distance Surface Distance

 T

Depth Indicaciones

Sound Path es la distancia recorrida por el ultrasonido, desde el BIP hasta encontrarse con una indicación. Usualmente es medida por el equipo de ultrasonido. Surface Distance es la distancia superficial que hay desde el BIP hasta el punto en la superficie donde nace la vertical hasta la indicación. Depth es la distancia vertical que hay desde la superficie (cara A) hasta la indicación.

SD = Seno de  x sound path Si sound path < = leg length

D = cos  x sound path Si sound path > leg length

D = 2T- (cos  x sound path)

Mediciones Angulares Resolver las ecuaciones necesarias para obtener los datos de los espacios en blanco (todas las respuestas en mm) Sound

Skip Distance

Angulo

T

Path

71º

2.1”

5.7”

69º

1.9”

4.8”

58º

2.8”

4.9”

61º

3.1”

5.1”

46º

3.3”

5.7”

V-Path

Leg

Surface

Length

Distance

Depth