Detección ultrasónica de fallas

La detección ultrasónica de fallas  es un método propuesto por S. Ya. Sokolov en 1928 y basado en el estudio de la propagación de vibraciones ultrasónicas con una frecuencia de 0.5 - 25 MHz en productos controlados que utilizan equipos especiales: un transductor ultrasónico y un detector de fallas [1 ] : 125 . Es uno de los métodos de prueba no destructivos más comunes .

Cómo funciona

Las ondas de sonido no cambian la trayectoria del movimiento en un material homogéneo. La reflexión de las ondas acústicas se produce a partir de la interfase entre medios con diferentes resistencias acústicas específicas . Cuanto más difieren las impedancias acústicas, la mayor parte de las ondas sonoras se refleja desde la interfaz entre los medios. Dado que las inclusiones en un metal suelen contener un gas (mezcla de gases) procedente del proceso de soldadura, fundición, etc. Y no tienen tiempo de salir al exterior cuando el metal solidifica, la mezcla de gases tiene una resistencia acústica específica cinco órdenes de magnitud menor. que el metal mismo, entonces el reflejo será casi completo.

La resolución de un estudio acústico, es decir, la capacidad de detectar pequeños defectos por separado, está determinada por la longitud de onda del sonido , que a su vez depende de la frecuencia de entrada de las vibraciones acústicas. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda. El efecto se produce debido a que cuando el tamaño del obstáculo es inferior a la cuarta parte de la longitud de onda, prácticamente no se produce la reflexión de las oscilaciones, pero domina su difracción . Por lo tanto, por regla general, la frecuencia de ultrasonido tiende a aumentar. Por otro lado, con un aumento en la frecuencia de las oscilaciones, su amortiguamiento aumenta rápidamente , lo que reduce la posible área de control. Las frecuencias en el rango de 0,5 a 10 MHz se convirtieron en un compromiso práctico.

Excitación y recepción de ultrasonidos

Existen varios métodos para la excitación de ondas ultrasónicas en el objeto de estudio. El más común es el uso del efecto piezoeléctrico . En este caso, la radiación ultrasónica se produce mediante un transductor , que convierte las vibraciones eléctricas en vibraciones acústicas a través del efecto piezoeléctrico inverso . Después de pasar por un ambiente controlado, las vibraciones ultrasónicas caen sobre la placa piezoeléctrica receptora del transductor y, debido al efecto piezoeléctrico directo , vuelven a ser eléctricas, las cuales son registradas por los circuitos de medición. Según el diseño y la conexión, las placas piezoeléctricas del transductor pueden actuar solo como emisor de vibraciones ultrasónicas o solo como receptor, o combinar ambas funciones.

También se utiliza el método acústico electromagnético ( EMA ), basado en la aplicación de fuertes campos magnéticos alternos al metal. La eficiencia de este método es mucho menor que la del método piezoeléctrico, pero puede funcionar a través de un espacio de aire y no impone requisitos especiales sobre la calidad de la superficie.

Clasificación de los métodos de investigación

Los métodos acústicos existentes de ensayos no destructivos se dividen en dos grandes grupos: activos y pasivos.

Activo

Los métodos de control activo implican la emisión y recepción de ondas acústicas.

Reflexiones
  • El método de eco o el método de eco - pulso  es el más común: el transductor genera oscilaciones (es decir, actúa como un generador) y también recibe señales de eco reflejadas por defectos (receptor). Este método se ha generalizado debido a su sencillez, ya que solo se requiere un transductor para las pruebas, por lo que, con control manual, no se necesitan dispositivos especiales para su fijación (como, por ejemplo, en el método de difracción-tiempo) y alineación. de ejes acústicos cuando se utilizan dos convertidores. Además, este es uno de los pocos métodos de detección ultrasónica de fallas que permite determinar con precisión las coordenadas del defecto, como la profundidad de ocurrencia y la posición en el objeto bajo estudio (en relación con el transductor).
  • Método espejo o eco -espejo  : se utilizan dos transductores en un lado de la pieza: las vibraciones generadas se reflejan desde el defecto hacia el receptor. En la práctica, se utiliza para buscar defectos ubicados perpendicularmente a la superficie de prueba, como grietas.
  • Método de difracción de tiempo  : se utilizan dos transductores en el mismo lado de la pieza, ubicados uno frente al otro. Si el defecto tiene bordes afilados (como grietas), las oscilaciones se difractan en los extremos del defecto y se reflejan en todas las direcciones, incluso hacia el receptor. El detector de fallas registra el tiempo de llegada de ambos pulsos en su amplitud suficiente. Ambas señales de los límites superior e inferior del defecto se muestran simultáneamente en la pantalla del detector de defectos, por lo que es posible determinar con precisión la altura condicional del defecto. El método es bastante universal, permite realizar pruebas ultrasónicas en costuras de cualquier complejidad, pero requiere un equipo especial para fijar los transductores, así como un detector de fallas capaz de operar en este modo. Además, las señales difractadas son bastante débiles.
  • El método delta  , una especie de método de espejo, difiere en el mecanismo de reflexión de la onda de un defecto y en la forma en que se recibe la señal. En diagnóstico, se utiliza para buscar defectos localizados específicamente. Este método es muy sensible a las grietas orientadas verticalmente, que no siempre pueden detectarse con el método de eco habitual.
  • El método de reverberación  se basa en la atenuación gradual de la señal en el objeto de control. Al controlar una estructura de dos capas, en el caso de una conexión de calidad de las capas, parte de la energía de la primera capa irá a parar a la segunda, por lo que la reverbación será menor. De lo contrario, se observarán múltiples reflejos de la primera capa, el llamado bosque . El método se utiliza para controlar la adhesión de varios tipos de revestimiento duro, como el revestimiento duro babbitt con una base de hierro fundido. La principal desventaja de este método es la detección de señales de eco de la interfaz entre dos capas por un detector de fallas. La razón de estos ecos es la diferencia en las velocidades de las vibraciones elásticas en los materiales de la conexión y su diferente impedancia acústica específica . Por ejemplo, en el borde del acero babbitt, se produce una señal de eco constante incluso en lugares de adhesión de alta calidad. Debido a las características de diseño de algunos productos, el control de calidad de la conexión de materiales por el método de reverberación puede no ser posible precisamente por la presencia de señales de eco de la interfaz en la pantalla del detector de fallas.
  • La microscopía acústica , debido a la mayor frecuencia de entrada del haz ultrasónico y al uso de su enfoque, permite detectar defectos cuyas dimensiones no superan las décimas de milímetro. La aplicación generalizada en la industria es difícil debido a la productividad extremadamente baja del método. Este método es adecuado para fines de investigación, diagnóstico, así como para la industria radioelectrónica.
  • El método coherente  es esencialmente una variación del método pulso-eco. Además de los dos parámetros principales de la señal de eco, como la amplitud y el tiempo de llegada, se utiliza adicionalmente la fase de la señal de eco. Utilizando un método coherente, o más bien, varios convertidores idénticos operando en fase. Cuando se utilizan transductores especiales, como un transductor de onda viajera o su contraparte moderna, un transductor de matriz en fase . Aún no se han completado los estudios de la aplicabilidad de este método a objetos reales de control. El método se encuentra en la etapa de investigación científica.
Tutoriales

Los métodos de transmisión implican monitorear el cambio en los parámetros de las vibraciones ultrasónicas que han pasado a través del objeto de control, las llamadas vibraciones de paso. Inicialmente, se utilizó radiación continua para el control, y un cambio en su amplitud de oscilaciones directas se consideró como la presencia de un defecto en el objeto controlado, la llamada sombra de sonido. De ahí el nombre de método de sombra . Con el tiempo, la radiación continua fue reemplazada por la radiación pulsada y, además de la amplitud, los parámetros fijos también se complementaron con la fase, el espectro y el tiempo de llegada del pulso, y aparecieron otros métodos de transmisión. El término sombra perdió su significado original y pasó a significar uno de los métodos de paso. En la literatura inglesa , el método de transmisión se denomina a través de la técnica de transmisión o mediante el método de transmisión , que es totalmente consistente con su nombre ruso. El término sombra en la literatura en inglés no se usa.

  • Sombra  : se utilizan dos transductores, que están ubicados a ambos lados de la parte en estudio en el mismo eje acústico. En este caso, uno de los transductores genera oscilaciones (generador) y el segundo las recibe (receptor). Una señal de la presencia de un defecto será una disminución significativa en la amplitud de la señal recibida, o su desaparición (el defecto crea una sombra acústica).
  • Espejo-sombra  : se utiliza para controlar piezas con dos lados paralelos, el desarrollo del método de la sombra: se analizan los reflejos del lado opuesto de la pieza. Una señal de defecto, como en el caso del método de la sombra, será la desaparición de las vibraciones reflejadas. La principal ventaja de este método, en contraste con el método de la sombra, es el acceso a la pieza desde un lado.
  • La sombra temporal se basa en el retraso del pulso en el tiempo empleado en el redondeo del defecto. Se utiliza para controlar hormigón o ladrillos refractarios.
  • El método de sombra múltiple es similar al método de sombra, con la excepción de que la onda ultrasónica pasa varias veces a través de las superficies paralelas del producto.
  • Con el método de eco , se utilizan dos transductores, ubicados en lados opuestos del objeto de prueba, uno frente al otro. En ausencia de un defecto, se observan en la pantalla del detector de defectos una señal de paso y una señal reflejada dos veces desde las paredes del objeto de prueba. En presencia de un defecto translúcido, también se observan señales reflejadas a través del defecto.
  • El método de reverberación incluye elementos del método de reverberación y del método de múltiples sombras. A poca distancia entre sí, por regla general, en un lado del producto, se instalan dos convertidores: un transmisor y un receptor. Las ondas ultrasónicas enviadas al objeto de prueba después de múltiples reflejos finalmente llegan al receptor. La ausencia de un defecto permite observar señales reflejadas estables. En presencia de un defecto, la propagación de las ondas ultrasónicas cambia: la amplitud y el espectro de los pulsos recibidos cambian. El método se utiliza para controlar estructuras multicapa y materiales compuestos poliméricos.
  • El método velocimétrico se basa en registrar los cambios en la velocidad de las ondas elásticas en la zona del defecto. Se utiliza para controlar estructuras multicapa y para productos fabricados con materiales compuestos poliméricos.
Vibraciones naturales

Se basan en la excitación de oscilaciones libres o forzadas en el objeto de control y la medida de sus parámetros: frecuencias naturales y pérdidas.

Vibraciones forzadas
  • Integral
  • Local
  • Acústico-topográfico
Vibraciones libres

Las oscilaciones libres son excitadas por un impacto a corto plazo en el objeto de control, después de lo cual el objeto oscila en ausencia de influencias externas. La fuente de exposición a corto plazo puede ser cualquier impacto mecánico, como un martillo.

  • Integral
  • Local
Impedancia
  • doblando las olas
  • Ondas longitudinales
  • impedancia de contacto

Pasivo

Los métodos de control pasivo consisten en recibir ondas, cuya fuente es el propio objeto de control.

Los detectores de defectos modernos miden con precisión el tiempo transcurrido desde el momento de la emisión hasta la recepción de una señal de eco , midiendo así la distancia al reflector. Esto permite lograr una alta resolución del haz del estudio. Los sistemas computarizados permiten analizar una gran cantidad de pulsos y obtener una visualización tridimensional de los reflectores en metal.

Beneficios

La prueba ultrasónica no destruye ni daña la muestra de prueba, que es su principal ventaja. Es posible realizar el control de productos de diversos materiales, tanto metálicos como no metálicos. Además, podemos destacar la alta velocidad de investigación a bajo costo y peligro para los humanos (en comparación con la detección de fallas por rayos X) y la alta movilidad del detector de fallas por ultrasonidos.

Desventajas

El uso de transductores piezoeléctricos requiere la preparación de la superficie para la introducción de ultrasonidos en el metal, en particular, la creación de una rugosidad superficial de al menos clase 5, en el caso de uniones soldadas , también la dirección de la rugosidad (perpendicular a la costura) . Debido a la alta resistencia acústica del aire, el más mínimo espacio de aire puede convertirse en una barrera infranqueable para las vibraciones ultrasónicas. Para eliminar el espacio de aire, los líquidos de contacto como agua, aceite, glicerina se aplican preliminarmente al área controlada del producto . Cuando se revisan superficies verticales o fuertemente inclinadas, es necesario usar coples gruesos para evitar su escurrimiento rápido.

Para ensayar productos con un diámetro exterior inferior a 200 mm, es necesario utilizar transductores con un radio de curvatura de la suela R igual a 0,9-1,1R del radio del objeto controlado, los llamados transductores lapeados , que de esta forma no son adecuados para probar productos con superficies planas. Por ejemplo, para controlar una forja cilíndrica, es necesario mover el transductor en dos direcciones perpendiculares entre sí, lo que implica el uso de dos transductores en tierra, uno para cada una de las direcciones.

Por regla general, la detección ultrasónica de fallas no puede responder a la pregunta sobre las dimensiones reales del defecto, solo sobre su reflectividad en la dirección del receptor. Estos valores se correlacionan, pero no para todo tipo de defectos. Además, algunos defectos son casi imposibles de detectar por el método ultrasónico debido a su naturaleza, forma o ubicación en el objeto de prueba.

Es casi imposible realizar pruebas ultrasónicas confiables de metales con una estructura de grano grueso, como hierro fundido o soldaduras austeníticas (espesor superior a 60 mm) [2] [3] debido a la gran dispersión y la alta atenuación del ultrasonido. Además, es difícil controlar piezas pequeñas o piezas con una forma compleja. Además, la prueba ultrasónica de uniones soldadas hechas de aceros diferentes (por ejemplo, aceros austeníticos con aceros perlíticos ) es difícil debido a la extrema heterogeneidad del metal de soldadura y el metal base.

Aplicación

Se utiliza para buscar defectos en los materiales (poros, líneas capilares, diversas inclusiones, estructura heterogénea, etc.) y para controlar la calidad del trabajo: soldadura , soldadura blanda , pegado , etc. La prueba ultrasónica es un procedimiento obligatorio en la fabricación y operación de muchos productos críticos, como piezas de motores de aviones, tuberías de reactores nucleares o vías férreas.

Pruebas ultrasónicas de soldaduras

Las costuras soldadas son el área de aplicación más extendida de la detección de defectos por ultrasonidos. Esto se logra debido a la movilidad de la unidad ultrasónica, alto rendimiento de prueba, precisión, sensibilidad interna (volumétrica - poros, inclusiones metálicas y no metálicas; plana - falta de penetración, grietas), así como externa, es decir, defectos superficiales de las soldaduras .

Muchos documentos departamentales implican pruebas ultrasónicas obligatorias de soldaduras, o una opción alternativa de pruebas ultrasónicas o de radiación, o pruebas por ambos métodos.

El documento principal en Rusia para la prueba ultrasónica de soldaduras es GOST R 55724-2013, que describe completamente los métodos para probar soldaduras a tope, en T, traslapadas y de filete hechas por varios métodos de soldadura. También describe en detalle las muestras de calibración (medidas) СО-2 (СО-2А) y СО-3 y las muestras de ajuste necesarias para configurar el detector de fallas, así como sus parámetros para su fabricación.

El alcance del control y los estándares para evaluar la calidad de una unión soldada están establecidos por varios documentos reglamentarios de acuerdo con los requisitos de resistencia para una estructura soldada en particular. Las empresas que fabrican productos especialmente críticos, así como diversas autoridades de control, pueden producir sus propios materiales metodológicos para evaluar la calidad de las soldaduras [4] . Un ejemplo es el RD ROSEK-001-96, desarrollado por la empresa rusa experta en objetos de alto riesgo " RosEK ", y aprobado por Rostekhnadzor para evaluar la calidad de las uniones soldadas para máquinas elevadoras.

Documentación técnico-normativa

  • GOST R 55724-2013 Pruebas no destructivas. Las conexiones están soldadas. Métodos ultrasónicos.
  • GOST 24507-80 Pruebas no destructivas. Forjas de metales ferrosos y no ferrosos. Métodos de detección de defectos por ultrasonidos.
  • GOST 22727-88 Hoja enrollada. Métodos de control ultrasónico.
  • GOST 21120-75 Barras y espacios en blanco de sección redonda y rectangular. Métodos de detección de defectos por ultrasonidos.
  • RD ROSEK-001-96 Máquinas elevadoras. Estructuras metálicas. Control ultrasónico. Disposiciones básicas.
  • OP 501 TsD-97 Equipos de potencia. recipientes a presión. Tuberías de vapor, agua.
  • PNAE G-7-010-89 Equipos y tuberías de centrales nucleares. Juntas soldadas y superposiciones. Reglas de control.
  • PNAE G-10-032-92 Normas para el control de uniones soldadas de elementos de localización de sistemas de seguridad de centrales nucleares.
  • PNAE G-7-032-91 Métodos Unificados para la Inspección de Materiales Básicos de Productos Semielaborados, Uniones Soldadas y Revestimientos de Equipos y Tuberías de Centrales Nucleares. Control ultrasónico. Parte IV. Inspección de uniones soldadas de aceros austeníticos.

Véase también

Notas

  1. ↑ V. N. Volchenko , A. K. Gurvich, A. N. Mayorov, L. A. Kashuba, E. L. Makarov, M. Kh. Khusanov. Control de calidad de soldadura / Ed. V. N. Volchenko. — Libro de texto para universidades de ingeniería. - M. : Mashinostroenie, 1975. - 328 p. - 40.000 copias.
  2. ↑ PNAE G-7-032-91 Pruebas ultrasónicas. Parte IV. Inspección de uniones soldadas de aceros austeníticos. Cláusula 1.4.
  3. ↑ Klyuev V.V. Pruebas no destructivas. Tomo 3.: Manual. En 7 libros / Ed. Klyueva VV - M .: Mashinostroenie, 2004.
  4. ↑ Algunos problemas "dolorosos" de las pruebas ultrasónicas por métodos tradicionales // En el mundo de las pruebas no destructivas", 2013 - No. 2 (60)

Literatura

  • Shraiber D.S. Detección ultrasónica de fallas //M.: Metalurgia. - 1965. - T. 392. - S. 29.
  • Gurvich A. K., Ermolov I. N. Detección ultrasónica de defectos de costuras soldadas - Kiev: Tekhnika, 1972, 460 p.
  • Vybornov B. I. Detección ultrasónica de fallas - M .: Metallurgy, 1985.
  • Shcherbinsky V. G., Pavros S. K., Gurvich A. K. Detección ultrasónica de fallas: ayer, hoy, mañana // En el mundo de las pruebas no destructivas. - 2002. - núm. 4. - S. 18.
  • Yermolov IN Logros en cuestiones teóricas de detección de defectos por ultrasonidos, tareas y perspectivas // Defectoscopia. - 2004. - núm. 10. - S. 13-48.
  • Kretov EF Detección ultrasónica de fallas en ingeniería energética. - 3ª edición, revisada y adicional. - San Petersburgo: SVEN, 2011, 312 págs., ISBN 978-5-91161-014-2
  • Markov A. A., Shpagin D. A. Detección ultrasónica de fallas de rieles, - Ed. 2º, corregido. y adicional - San Petersburgo: Educación - Cultura, 2013, 283 pp., ISBN 5-88857-104-0

Enlaces