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.

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• 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
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