17 septiembre 2008

Ultrasonidos para asegurar la integridad mecánica de sistemas de fijación

El control de calidad en el producto es una estrategia vital para cualquier fabricante que desee poner en el mercado productos de media-alta gama. El objetivo del control de calidad es verificar productos fabricados para comprobar que se adaptan a las especificaciones previstas en el diseño. Una de las técnicas más interesantes para detectar fallos en la fabricación es la de ultrasonidos. En este artículo, aprovechando un nuevo equipo portátil que se acaba de lanzar al mercado, vamos a realizar un repaso a las aplicaciones de esta tecnología.

  1. Descripción de la tecnología ultrasónica.

Los ensayos ultrasónicos utilizan la transmisión de ondas sonoras de alta frecuencia a través de un material para detectar imperfecciones en el interior del material. Entre las ventajas e inconvenientes de este método encontramos las siguientes:

  • Ventajas:
    • Detecta discontinuidades superficiales y subsuperficiales.
    • La profundidad de penetración para la detección de grietas es superior a la de otros métodos no destructivos.
    • Es suficiente con el acceso a un lado de la pieza.
    • Es altamente exacto en la determinación de la posición del reflector y estimación de forma y tamaño.
    • La preparación requerida para las partes es mínima.
    • Equipos electrónicos proporcionan resultados instantáneos.
    • Pueden producirse imágenes detalladas con sistemas automáticos.
    • Tiene otros usos, tales como la medida del espesor, además de la detección de grietas.
  • Limitaciones:
    • La superficie debe ser accesible a la transmisión de ultrasonidos.
    • Se requiere formación específica de los operarios.
    • Requiere un medio de acoplamiento para promover la transferencia de energía sonora en la muestra.
    • Los materiales que son rugosos, irregulares en forma, muy pequeños, excepcionalmente delgados o no homogéneos son difíciles de inspeccionar.
    • La fundición y otros materiales de grano grueso son difíciles de inspeccionar debido a la baja transmisión del sonido y elevado ruido de señales.
    • Los defectos lineales orientados paralelos al sonido pueden no ser detectados.
    • Se requieren standards de referencia para la calibración de equipos y caracterización de grietas.
  1. Descripción de laos ensayos ultrasónicos

La inspección ultrasónica es un método no destructivo rápido y eficiente de detectar, localizar, y medir tanto defectos superficiales como subsuperficiales tanto en el metal base como en la aportación de soldadura. Un ensayo ultrasónico se realiza con ondas de energía a frecuencias superiores a los 20.000 hercios. La onda ultrasónica se introduce en el material que se está probando por medio de un transductor piezoeléctrico colocado en contacto con la pieza de prueba. Los ultrasonidos entran en la pieza y se reflejan al transductor cuando encuentra una superficie que puede ser una grieta o la superficie trasera del material. Estas vibraciones se convierten en señales eléctricas, amplificadas, y mostradas en la pantalla de un tubo de rayos catódicos (CRT).

RADIOGRÁFICOS

PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

LÍQUIDOS PENETRANTES

ULTRASONIDOS

Porosidad

Todas las grietas superficiales.

Todas las grietas superficiales.

Grietas longitudinales

Inclusiones

Escorias grandes.

Porosidad.

Grietas transversales.

Grandes grietas

Falta de penetración.

Falta de fusión.

Falta de fusión.

Falta de fusión.

Escorias grandes.

Falta de penetración.

Grietas superficiales.

Falta de penetración.

Pequeñas grietas.

Grietas superficiales poco profundas.

Pequeñas inclusiones.

Porosidad.

La tecnología ultrasónica tiene algunas limitaciones que han limitado su uso. La principal limitación es la dificultad de interpretar los modelos de osciloscopio y la necesidad de standards para calibrar los instrumentos. Este procedimiento no produce registros permanentes mostrando grietas y sus localizaciones. Se requiere un alto grado de pericia y formación del operador para interpretar con fiabilidad los modelos del osciloscopio. Las grietas orientadas paralelamente al haz de sonidos puede no detectarse. En la siguiente tabla se muestra un diagrama de selección de frecuencias aplicables a los distintos materiales que se pretenden ensayar.

RANGO DE FRECUENCIA

APLICACIONES DEL ENSAYO

200 KHz – 1 MHz

Hierro gris, hierro modular, y materiales de grano relativamente grueso, tales como cobre y aceros inoxidables.

400 kHz – 5 MHz

Acero, aluminio, latón, y otros materiales con tamaño de grano refinado.

200 kHz-2,25 MHz

Materiales plásticos o similares.

1 – 5 MHz

Productos enrollados, láminas metálicas, barras, planchas, lingotes.

2,25 – 10 MHz

Productos extruidos y estirados: barras, tubos y lingotes.

1 – 10 MHz

Productos forjados.

2,25-10 MHz

Vidrio y cerámica.

1-2,25 MHz

Soldaduras.

1-10 MHz

Inspección de mantenimiento, especialmente grietas por fatiga.

  1. Descripción del USM-3

El nuevo equipo desarrollado por Norbar, USM-3, está destinado a verificar la integridad de sistemas de fijación críticos que unen elementos mecánicos. Para su uso en tareas especializadas donde la medición de la tensión y el par de los sistemas de fijación es esencial para asegurar la integridad de los sistemas mecánicos, Norbar ha introducido el medidor ultrasónico USM-3. Se trata de un medidor compacto, de peso ligero, en unidad portátil. Con esos medidores puede obtenerse una medición precisa de la elongación y carga en sistemas de fijación roscados.

Tradicionalmente, los medidores ultrasónicos han quedado relegados a la realización de tareas especializadas, donde se requería un extenso conocimiento de las propiedades de los materiales para determinar el diámetro correcto del transductor, la correcta frecuencia del transductor, y saber interpretar los resultados.

Según el fabricante, USM-3 supera todos estos desafíos, y da al operador una herramienta de fácil uso y alta exactitud para la determinación de la tensión de un sistema de fijación.

Pueden realizarse mediciones precisas de tornillos que actúen como sistemas de fijación, de cualquier metal en un rango de longitudes que van desde los 25,4 mm a los 15 m.

¿Cómo funciona el equipo?

La medición ultrasónica se basa en el principio de "time-of-flght". En uso, un pequeño transductor colocado contra la cabeza o el extremo final del sistema de fijación envía una onda ultrasónica a través de toda la longitud del tornillo. Cuando la señal de eco retorna, el microprocesador en el USM-3 convierte el tiempo de tránsito a una longitud precisa, usando constantes basadas en el material del tornillo, y la señal digital.

Los microprocesadores realizan los cálculos y deducen las medidas de elongación y carga, teniendo en cuenta los efectos de las variaciones de tensiones y temperatura en la velocidad del sonido para dar una exactitud que excede la de los medidores de tensión. El display LCD de ¼ VGA del USM-3 proporciona una forma fácil de interpretar los resultados de carga, datos de elongación y forma de onda.

El algoritmo DSP de cinco puntos de Norbar también proporciona una evaluación de la calidad de la señal.

USM-3 puede proporcionar una salida analógica para apretar con precisión las herramientas de par cuando se alcanza una tensión o carga predeterminada.

La memoria flash puede almacenar mediciones de hasta 80 tornillos, con hasta cinco mediciones de carga y elongación para cada tornillo.

Una interface RS232 permite que estos resultados sean cargados a un PC donde el software Sonic Bolt, basado en Windows, puede realizar cálculos de carga y recorrido para el análisis de la integridad de juntas mecánicas.

El software proporciona también informes en formato Excel.

Bibliografía:

La bibliografía que presentamos a continuación es una recopilación de textos y normas que compendian las publicaciones más interesantes para profundizar en los ensayos ultrasónicos.

  • 00-STD-ME-0032. Welding of pressure equipment & piping. Section I & II
  • ANSI/AWS A3.0-94. Standard welding terms and definitions.
  • ANSI-AWS D1.1/D1.1M:2002. Structural Welding Code – Steel
  • ASTM 1995 Standard Practice for Measuring Thickness by Manual Ultrasonic Pulse-Echo Contact Method. E 797
  • ASTM 1986. E1106 Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors
  • ASTM 1990. Standard Test Method for Ultrasonic Inspection of Aluminum-Alloy Plate for Pressure Vessels. B548-90(1997)
  • ASTM 1991. Standard Practice for Castings, Carbon, Low-Alloy, and Martensitic Stainless Steel, Ultrasonic Examination Thereof. A609/A609M-91(1997)
  • ASTM 1991. Standard Specification for Straight Beam Ultrasonic Examination of Rolled Steel Structural Shapes. A898/A898M-91(1996)
  • ASTM 1992. Standard Guide for Data Fields for Computerized Transfer of Digital Ultrasonic Testing Data. E1454-92(1997)
  • ASTM 1993. Standard Practice for the Measurement of the Apparent Attenuation of Longitudinal Ultrasonic Waves by Immersion Method. E664-93
  • ASTM 1993. Standard Practice for Ultrasonic Examination of Longitudinal Welded Pipe and Tubing. E273-93
  • ASTM 1993. Standard Practice for Ultrasonic Examination of Steel with Convex Cylindrically Curved Entry Surfaces. E1315-93
  • ASTM 1994. Standard Practice for Ultrasonic Examination of Austenitic Steel Forgings. A745/A745M-94 (99).
  • ASTM 1995 E1704. Standard Guide for Specifying Acoustical Performance of Sound-Isolating Enclosures. E1433.
  • ASTM 1995. Standard Guide for Selection of Standards on Environmental Acoustics
  • ASTM 1995. Standard Practice for Detection of Large Inclusions in Bearing Quality Steel by the Ultrasonic Method. E588-95
  • ASTM 1995. Standard Practice for Measuring Thickness by Manual Ultrasonic Pulse-Echo Contact Method. E797-95
  • ASTM 1995. Standard Practice for Measuring Ultrasonic Velocity in Materials. E494-95
  • ASTM 1995. Standard Practice for Ultrasonic Examination of Heavy Steel Forgings. A388/A388M-95(2001)e1
  • ASTM 1995. Standard Practice for Ultrasonic Pulse-Echo Straight-Beam Examination by the Contact Method. E114-95
  • ASTM 1996. E1774-96 Standard Guide for Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs).
  • ASTM 1996. E749-96 Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring During Continuous Welding
    • ASTM 1996. E751-96 Standard Practice for Acoustic Emission Monitoring During Resistance Spot-Welding
  • ASTM 1996. Standard Guide for Ultrasonic C-Scan Bond Evaluation of Brazed or Welded Electrical Contact Assemblies. B773-96
  • ASTM 1996. Standard Practice for Cleaning of Materials and Components by Ultrasonic Techniques. G131-96
  • ASTM 1996. Standard Practice for Determination of Soluble Residual Contaminants in Materials by Ultrasonic Extraction. G136-96
  • ASTM 1996. Standard Practice for Immersed Ultrasonic Examination by the Reflection Method Using Pulsed Longitudinal Waves. E214-68
  • ASTM 1996. Standard Practice for Ultrasonic Examinations Using Electromagnetic Acoustic. Transducer (EMAT) Techniques. E 1816
  • ASTM 1996. Standard Practice for Ultrasonic Examinations Using Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT) Techniques. E1816-96
  • ASTM 1996. Standard Specification for Straight-Beam Ultrasonic Examination of Steel Plates. A435/A435M-90
  • ASTM 1996. Standard Specification for Straight-Beam Ultrasonic Examination of Plain and Clad Steel Plates for Special Applications. A578/A578M
  • ASTM 1996. Standard Specification for Ultrasonic Angle-Beam Examination of Steel Plates. A577/A577M-90
  • ASTM 1996. Standard Test Method for Leaks Using Ultrasonics. E1002-96
  • ASTM 1996. Standard Test Method for Ultrasonic Examination from Bored Surfaces of Cylindrical Forgings. A939-96
  • ASTM 1996.E1816-96 Standard Practice for Ultrasonic Examinations Using Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT) Techniques
  • ASTM 1997 E1932-97 Standard Guide for Acoustic Emission Examination of Small Parts
  • ASTM 1997. Detection and Evaluation of Discontinuities by Contact Pulse-Echo Straight-Beam Ultrasonic Methods. E 1901
  • ASTM 1997. E1211. Standard Practice for Leak Detection and Location Using Surface-Mounted Acoustic Emission Sensors
  • ASTM 1997. E164-97 Standard Practice for Ultrasonic Contact Examination of Weldments.
  • ASTM 1997. Standard Test Method for Examination of Liquid Filled Atmospheric and Low Pressure Metal Storage Tanks Using Acoustic Emission. E1930.
  • ASTM 1997. Standard Guide for Acousto-Ultrasonic Assessment of Composites, Laminates, and Bonded Joints. E1495-97
  • ASTM 1997. Standard Guide for Detection and Evaluation of Discontinuities by Contact Pulse-Echo Straight-Beam Ultrasonic Methods. E1901-97
  • ASTM 1997. Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Applied Organic Coatings Over Concrete Using an Ultrasonic Gage. D6132-97
  • ASTM 1998 E1781-98 Standard Practice for Secondary Calibration of Acoustic Emission Sensors
  • ASTM 1998. E750-98 Standard Practice for Characterizing Acoustic Emission Instrumentation
  • ASTM 1998. Standard Guide for Material Selection and Fabrication of Reference Blocks for the Pulsed Longitudinal Wave Ultrasonic Examination of Metal and Metal Alloy Production Material. E1158-98
  • ASTM 1998. Standard Practice for Fabricating and Checking Aluminum Alloy Ultrasonic Standard Reference Blocks. E127-98
  • ASTM 1998. Standard Practice for Mechanized Ultrasonic Examination of Girth Welds Using Zonal Discrimination with Focused Search Units. E1961-98
  • ASTM 1998. Standard Practice for Ultrasonic Examination of Metal Pipe and Tubing. E213-98.
  • ASTM 1998. Standard Practice for Ultrasonic Extraction of Paint, Dust, Soil, and Air Samples for Subsequent Determination of Lead. E1979-98
  • ASTM 1998. Standard test method for ultrasonic surface examinations using electromagnetic acoustic transducer (EMAT) techniques. E 1962.
  • ASTM 1998. Standard Test Method for Ultrasonic Surface Examinations Using Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT) Techniques. E 1962.
  • ASTM 1998. Standard Test Method for Ultrasonic Surface Examinations Using Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT) Techniques. E1962-98
  • ASTM 1999. Standard Guide for Evaluating Characteristics of Ultrasonic Search Units. E1065-99
  • ASTM 1999. Standard Practice for Detection and Evaluation of Discontinuities by the Immersed Pulse-Echo Ultrasonic Method Using Longitudinal Waves. E1001-99a
  • ASTM 1999. Standard Practice for Ultrasonic C-Scan Bond Evaluation of Sputtering Target-Backing Plate Assemblies. F1512-94(1999)
  • ASTM 2000. E1419 Standard Test Method for Examination of Seamless, Gas- Filled, Pressure Vessels Using Acoustic Emission
  • ASTM 2000. E976 Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response
  • ASTM 2000. Standard Guide for Measuring Some Electronic Characteristics of Ultrasonic Examination Instruments. E1324-00
  • ASTM 2000. Standard practice for Acousto-ultrasonic assessment of filament-wound pressure vessels. E 1736
  • ASTM 2000. Standard Practice for Acousto-Ultrasonic Assessment of Filament-Wound Pressure Vessels. E1736-00
  • ASTM 2000. Standard Practice for Fabrication and Control of Steel Reference Blocks Used in Ultrasonic Examination. E428-00
  • ASTM 2000. Standard Practice for Measuring the Change in Length of Fasteners Using the Ultrasonic Pulse-Echo Technique. E1685-00
  • ASTM 2000. Standard Practice for Ultrasonic Angle-Beam Examination by the Contact Method. E587-00
  • ASTM 2000. Standard Test Method for Laboratory Determination of Pulse Velocities and Ultrasonic Elastic Constants of Rock. D2845-00
  • ASTM 2001. Standard Practice for Evaluating Performance Characteristics of Ultrasonic Pulse- Echo Examination Instruments and Systems without the Use of Electronic Measurement Instruments. E317-01
  • ASTM 2002. Standard Test Method for Examination of Liquid-Filled Atmospheric and Low-Pressure Metal Storage Tanks Using Acoustic Emission. E 1930.
  • AWS A4.2. Standard Procedures for Calibrating Magnetic Instruments to Magnetic Instruments to Measure the Delta Ferrite Content of Austenitic Stainless Steel Weld Metal.
  • BS EN 1713. 1998. Non-destructive examination of welded joints – Ultrasonic examination of welded joints.
  • BS EN 1714. 1998. Non-destructive examination of welds – Ultrasonic examination – Characterization of indications in welds.
  • BS EN 583-2: 2001. Non-destructive testing – Ultrasonic examination – Part 2; Sensitivity and range setting.
  • BS EN 583-5. 2001. Non-destructive testing – Ultrasonic examination – Part 5: Characterization and sizing of discontinuities.
  • MIL-STD-45662A. Calibration systems requirements
    • Ultrasonics ensure mechanical bolting integrity. Manufacturing july 2008
  • UNE-EN 60947-5-2. 2000. Aparamenta de baja tensión. Parte 5: Aparatos y elementos de conmutación para circuitos de mando. Sección 2: Detectores de proximidad.
  • Welder´s Handbook. For Gas Shielded Arc Welding, Oxy Cutting & Plasma Cutting. Air Products.
  • Welding Materials Handbook. Naval Construction Force. P-433. Naval Facilities Engineering Command.
  • Welding. Design, procedures and inspection. Technical Manual TM 5-805-7. Department of the Army.
Publicar un comentario