Diapositivas apuntes cuestiones de ensayos no destructivos

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Apuntes de 3º de Ingeniería Industrial de la Universidad Miguel Hernández de Elche que tratan los Ensayos No Destructivos. Estos apuntes incorporan diapositivas de dos cursos distintos, apuntes de clase, cuestiones y soluciones y prácticas de laboratorio.

Los temas que se tratan son:

Fundamentos
Ultrasonidos
Líquidos penetrantes
Partículas magnéticas
Corrientes inducidas
Radiología

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Diapositivas apuntes cuestiones de ensayos no destructivos

  1. 1. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 1 Fundamentos de Ensayos No Destructivos
  2. 2. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 2 Temario •Tema 1: Fundamentos generales de los Ensayos No Destructivos •Tema 2: Ultrasonidos •Tema 3: Líquidos penetrantes •Tema 4: Partículas magnéticas •Tema 5: Corrientes inducidas •Tema 6: Radiología
  3. 3. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 3 Fundamentos Generales de los Ensayos No Destructivos TEMA 1
  4. 4. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 4 Definición • Experimento: consiste en la observación de un fenómeno provocado. • Un Ensayo es un Experimento tecnológico • Tipos de Ensayos: •Funcionales •Destructivos •No destructivos
  5. 5. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 5 Ensayos Funcionales • Repetición indefinida de las condiciones operativas • Operación con requisitos superiores a los de servicio • Fallo catastrófico para estudio de efectos Ensayos Destructivos • Requiere la destrucción o el deterioro de la muestra • Empleados en control de calidad estadístico
  6. 6. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 6 • La muestra no sufre deterioro. • Se estudian las propiedades significativas tecnológicamente • Técnicas y Fundamentos de END • Características Ensayos No Destructivos •Densidad •Conductividad Térmica •Absorbancia Electromagnética •Índice de Refracción •Estructura cristalina •Inspección del 100% de la producción •Nivel de CALIDAD uniforme •Asegura calidad funcional de sistemas y elementos •Prevención de accidentes laborales •Beneficios económicos •Directos - Disminución de costes de producción, aumento de la producción •Indirectos - Ayuda a mejora de Diseño y control de Procesos
  7. 7. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 7 Clasificación de END según Fundamentos •Ondas Electromagnéticas •Ondas elásticas o acústicas •Emisión de partículas subatómicas •Otros: Capilaridad, absorción, estanqueidad
  8. 8. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 8
  9. 9. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 9
  10. 10. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 10
  11. 11. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 11 Planteamiento inicial de los END en la industria: CONTROL DE CALIDAD PRODUCCIÓN Enfrentado a Actualmente: FABRICACIÓN INTEGRADA (Producción asume CONTROL DE CALIDAD) END en aumento debido a la automatización de la producción Los END en la industria
  12. 12. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 12 Historia de los END Primer END registrado: comprobación de Arquímedes sobre la composición de la corona del rey de Siracusa Los fundamentos de los END eran todos conocidos en el siglo XIX: •Corrientes eléctricas: Faraday (1831) •Magnetismo: Faraday (1839) •Electromagnetismo: Maxwell (1864) •Corrientes inducidas: Hughes (1879) •Rayos X: Röntgen (1895) •Radiactividad: Becquerel (1896)
  13. 13. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 13 •Gran demanda •Métodos empíricos •No existen normativas •Detección de discontinuidades •Técnicas no automáticas •Diseños basados en ‘Vida Segura’ Etapa cuantitativa: 1970 actualidad Etapa cualitativa: SGM 1970 Contexto histórico: •Electrónica en sus inicios •No existe la informática •Crisis energética de los 70 •Diseños basados en ‘Análisis de tolerancia al daño’ Cambios debidos a: Solución: •Conocer el estado individual de cada pieza •Evaluación del efecto de una grieta
  14. 14. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 14 Ejemplos de utilización de END: Examen de la Sabana Santa de Turín Examen de obras de arte Tuberías de plantas químicas Vasos de presión Defectos en fuselajes y motores de aeronaves Sistemas aerospaciales No industriales Industriales Industria aeroespacial: introduce requisitos nuevos para los ensayos. Los materiales no admiten contaminación alguna → es imprescindible utilizar métodos de ensayo sin contacto
  15. 15. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 15 Sabana santa Analizada por: Fotografía UV, visual e IR (imágenes) Microscopía visual y electrónica Radiografía Gammagrafía Espectroscopía de fluorescencia de Rayos X
  16. 16. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 16 La inspección mediante END Etapas •Elección del método y la técnica apropiadas •Obtención de los resultados de medida •Evaluación de los resultados •Aplicación de los Criterios de aceptación o rechazo
  17. 17. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 17 Elección del método y la técnica apropiada Características de las muestras Limitaciones de los métodos •Naturaleza del material •Estado estructural •Tamaño •Forma •Conocimiento previo •Heterogeneidades •Características a determinar •Dimensión a medir •Interpretación •Geometría •Naturaleza del material •Campo de observación •Velocidad de aplicación •Sensibilidad Aumento de sensibilidad ⇒ aumento de costes
  18. 18. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 18 Obtención de resultados de medida Los métodos de END obtienen características del material por procedimientos indirectos, a partir de otra propiedad de la muestra. •Técnica radiográfica. Por medio de la imagen resultante de la iluminación del objeto con una fuente de radiación se obtiene la indicación de una hetereogeneidad. •Con la utilización de ultrasonidos la indicación directa se recibe en una pantalla de rayos catódicos. •Métodos Visuales: por percepción visual (aumentada en función del método empleado) se obtiene la indicación del defecto.
  19. 19. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 19 Evaluación de resultados Correlación de resultados obtenidos y las propiedades de la heterogeneidad Es preciso realizar END precisos antes de automatizar un proceso industrial de producción con END La responsabilidad de la evaluación corresponde al experto de END Criterios de aceptación o rechazo El siguiente paso es decidir si la heterogeneidad detectada en la pieza o el conjunto afecta seriamente o no a su utilización. Responsabilidad de: Diseñadores Responsable de ensayos o pruebas Expertos en fiabilidad Expertos en ciencia de materiales que determinan el nivel de calidad
  20. 20. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 20 Los END en el proceso de Producción •Método de examen adecuado a cada fase de producción •Criterio de aceptación DEFINEN Defecto más probable Grietas en inclusiones o insertos Rechupes Cavidades Porosidades Defectos en soldaduras Pliegues Defectos de pegado + Fase de la producción Materia prima Elementos manufacturados Componentes
  21. 21. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 21 Primeros clientes de END: aquellos sectores donde la calidad prima sobre los costes: •Industria aeronáutica y aeroespacial •Plantas de energía nuclear •Industria química Hoy en día se introduce en otros sectores: •Automóvil: revisión de soldaduras y piezas con geometría irregular •Productos laminados •Cordones de soldadura y depósitos Principal dificultad para la implantación: factores económicos
  22. 22. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 22 Calidad: definición desde el punto de vista industrial. Conjunto ponderado de características funcioneles, cada una en su grado respectivo, que definen el comportamiento del producto en relación con la finalidad para la que fue proyectado.
  23. 23. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 23 Curva económica de la calidad La zona comprendida entre ambas curvas es la correspondiente a la zona de beneficios Diseñador: alta Q Fabricante: baja Q
  24. 24. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 24 Balance económico -[disminución costes producción (1)] + [costes END (2) ] (1): •Ahorro de fabricación con materias primas defectuosas •Aumento de la producción (2): •Mano de obra •Materiales gastos generales (agua,electricidad, instalaciones, amortización de equipos,...) (2): Depende de: •Cantidad de piezas •Automatización •Sensibilidad y tolerancia •% Defectos •Cualificación del personal
  25. 25. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 25 END aplicados a componentes o conjuntos en servicio Defectos debidos a : •Utilización •Transporte •Almacenamiento •Grietas •Delaminaciones •Desgastes •Despegados •Daños accidentales Intervalos de ensayo: se determinan a partir del defecto máximo no detectado por los métodos de END previos
  26. 26. Fundamentos de Ensayos No Destructivos - Tema 1 - Fundamentos Generales 26 Fiabilidad de los END Fiabilidad de una inspección: Medida cuantitativa de la eficiencia del proceso para detectar defectos de un determinado tipo y tamaño. Tras una inspección permitirá asegurar que existe una probabilidad determinada de que la pieza está libre de defectos de un determinado tipo y tamaño. Capacidad de inspección: •Tamaño máximo aceptable, establecido en el diseño •La forma, dimensiones y tipo de la pieza y del defecto fijan el método de END idóneo Factor de seguridad: Es la diferencia entre el tamaño crítico de fractura y el menor tamaño de defecto que se puede detectar Detectabilidad: Probabilidad de detección, es la probabilidad de que un operador entrenado, utilizando un procedimiento de inspección dado, detecte un defecto que existe realmente
  27. 27. TEMA 1 – FUNDAMENTOS GENERALES DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS "Ensayo no destructivo basado en la transmisión de las ondas acústicas de alta frecuencia en los materiales." 1.1. Introducción 1 1.1.1. Conceptos básicos: Experimento y Ensayo 1 1.1.2. Tipos de ensayos 1 1.2. Los Ensayos No Destructivos 3 1.2.1. Características fundamentales de un Ensayo No Destructivo 3 1.2.2. Clasificación de los Ensayos No Destructivos 5 1.2.3. Los Ensayos No Destructivos en la Industria 6 1.2.4. Antecedentes históricos de los Ensayos No Destructivos 7 1.2.5. Etapas en la vida de los Ensayos No Destructivos 8 1.2.6. Ejemplos de utilización de Ensayos No Destructivos 10 1.3. Inspección mediante Ensayos No Destructivos 9 1.3.1. Elección de método y técnica operatoria idóneos 3 1.3.2. Obtención de resultados de medida 5 1.3.3. Evaluación de los resultados 6 1.3.4. Criterios de aceptación o rechazo 7 1.4. Los Ensayos No Destructivos como parte inseparable del proceso de Producción 9
  28. 28. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 1 1.1. Introducción. 1.1.1. Conceptos básicos: Experimento y Ensayo. Primeramente, definiremos el concepto de experimento que consiste en la observación de un fenómeno provocado. Mediante el experimento se verifica el comportamiento de la Naturaleza en condiciones controladas con el fin de descubrir regularidades que puedan ser descritas lógicamente y enunciadas como leyes. Un experimento lo llevamos a cabo cuando, por ejemplo, decidimos cronometrar el tiempo que tarda un amigo nuestro en recorrer 100 m corriendo o, también, efectuamos un experimento cuando deseamos comprobar si una determinada reacción química es exotérmica o endotérmica tocando el vaso de precipitados donde se produce esa reacción. Ambos son ejemplos de experimentos puesto que todos consisten en observar el comportamiento de un fenómeno que hemos originado nosotros mismos. De esta manera, un ensayo es un experimento tecnológico, es decir, se trata de un experimento donde nosotros provocamos un fenómeno (por ejemplo, verter un líquido fluorescente en una pieza, golpear una copa,…) para observar cómo sucede dicho experimento con la intención de deducir propiedades de la pieza. En realidad, un ensayo es algo más que un simple experimento pues la información obtenida podemos emplearla a posteriori. 1.1.2. Tipos de ensayos. Los ensayos que estudiaremos en esta asignatura van a ser fundamentalmente aquellos ensayos que no deterioren ni interfieran en las propiedades o características del espécimen que se desea inspeccionar. Estos, conocidos como Ensayos No Destructivos, no son los únicos métodos de inspección que se pueden llevar a cabo actualmente sino que podemos destacar dos grupos más de pruebas: Funcionales: En este tipo de exámenes, se observan las piezas o réplicas en sus situaciones de trabajo para verificar, así, si soportan las condiciones impuestas por su labor. Las características más importantes de este tipo de ensayos son las siguientes: 1. Repetición indefinida de las condiciones operativas. Para comprobar el correcto funcionamiento de la pieza hasta situaciones finales, se suele optar por fatigar la pieza en su situación de trabajo observando, así, el comportamiento de la misma hasta producir el fallo, en cuyo caso resulta destructivo. De esta manera, conseguimos hacernos una idea de la capacidad y resistencia que tiene la pieza; por ejemplo, comprimir y traccionar una probeta para analizar su elasticidad. 2. Operación con requisitos superiores a los de servicio. Otra característica muy importante de este tipo de ensayos es que generalmente se somete a la pieza a solicitaciones más severas que las que podría sufrir la misma en condiciones nominales de servicio sin intenciones de propiciar el fallo y con el propósito de verificar si su diseño es el correcto, la calidad de los materiales adecuada y el montaje idóneo; por ejemplo, someter a un depósito a una presión en exceso de modo que aseguramos que el sistema esté listo incluso para el peor caso. 3. Fallo catastrófico para estudio de efectos. En ocasiones, se decide analizar el comportamiento de la muestra ante situaciones de fallo catastrófico, por ejemplo, situaciones de choque, de fallo eléctrico, inmersión por lluvia,…
  29. 29. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 2 Figura 1.1. Ensayo de tracción Un ejemplo notorio de los ensayos funcionales es el de las técnicas espaciales donde el espécimen es sometido a condiciones operatorias un número concreto de veces. Dicho número de horas de prueba es superior al tiempo que va a estar en órbita. De este modo, se consigue "sobredimensionar" la calidad que deseamos para dicha pieza. Otro ejemplo común es el del caso de la aviónica donde, al transcurrir ciertas horas de vuelo, es preciso realizar ensayos funcionales y, a la vez, que no deterioren la pieza para verificar si son válidos o rechazarla cambiándola por otra nueva. Figura 1.2. Ensayo ante fallo catastrófico y estudio del efecto sobre los "Dummies". Destructivos: Por otra parte, este tipo de ensayos requerirán para su realización la destrucción, o al menos, el deterioro significativo de la muestra que, en general, queda inutilizada pues ésta debe someterse a las necesidades del ensayo. Vienen marcados por ser un tipo de ensayos donde las propiedades de la pieza se ven mermadas debido a que estos ensayos deterioran las piezas llegando incluso a destruirlas. Las características más importantes de este tipo de ensayos son las dos siguientes: • Requieren la destrucción o el deterioro de la muestra. Es una característica diferenciadora con respecto a las anteriores ya que los primeros podrían romper o no la pieza, pero en este tipo de ensayos, necesariamente la toma de muestra implica un daño irreparable para el objeto ensayado. Por ejemplo, las cajas negras que recogen los sucesos que ocurren en un avión son sometidas a ensayos de impactos ignífugos pero no se emplean los especimenes. • Empleados en control de calidad estadístico. Estos ensayos, aplicados a un control de calidad estadístico permiten, sin duda, comprobar, con un cierto margen de seguridad, el nivel de calidad de una producción, obteniendo en general datos de una zona local del producto, pero no de todo su volumen, sin poder asegurar la calidad de todos los elementos de un lote. En este tipo de ensayos, generalmente se ensayan las partes importantes de la pieza a estudiar, evitando así estudiar las irrelevantes salvando la destrucción innecesaria de éstas últimas. Generalmente, los ensayos se realizan con probetas y con piezas prefabricadas mecánica, térmica y electrónicamente estables. Una vez realizado el ensayo, la muestra debe eliminarse de la fase de producción puesto que esta, a pesar de no presentar grietas o defectos superfluos, puede haber reducido su vida media a causa de haber sido sometida al Ensayo Destructivo.
  30. 30. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 3 1.2. Los Ensayos No Destructivos. 1.2.1. Características fundamentales de un Ensayo No Destructivo. A diferencia que en los ensayos anteriores, los Ensayos No Destructivos, deben adaptarse a las exigencias de la muestra con el fin de evitar su deterioro. Para conseguirlo hay que recurrir a aquellas características del material que sean significativas tecnológicamente y éstas pueden ser: • Densidad. • Conductividad Térmica. • Absorbancia Electromagnética. • Índice de Refracción. • Estructura cristalina. Como éstas características pueden ser muy variadas, el número de Ensayos No Destructivos es potencialmente grande y su fundamento diverso. Por lo antes citado, podemos intuir que estos ensayos se identifican claramente por ser capaces de estudiar las propiedades que son significativas tecnológicamente hablando, es decir, son capaces de aportar información de las cualidades de interés tecnológico de la muestra. A continuación, enumeraremos las características más relevantes que presentan los Ensayos No Destructivos con respecto a los demás tipos de ensayos: • Inspección del 100 % de la producción. Con este tipo de pruebas se pueden llevar a cabo las inspecciones a cualquier pieza de la cadena de producción. • Nivel de CALIDAD uniforme: Acotando los niveles de aceptación o rechazo de la elección de la pieza que supera las pruebas o aquella que falla en algún ensayo. Para ello, se entrena a los operadores de la forma más objetiva posible a pesar de que, posteriormente, estos aporten subjetividad a las mediciones. De ahí la existencia de un rango de tolerancias cuyo margen dependerá del nivel de calidad que se pretenda imponer: severo o rebajado. • Asegura calidad funcional de sistemas y elementos: Un Ensayo No Destructivo tiene un papel muy importante en sistemas que sufran un envejecimiento temporal, puesto que podemos utilizar nuevos ensayos cada vez que sea necesario y así poder ver la evolución del sistema. Por ejemplo, imaginemos un oleoducto instalado en el desierto; debido a su localización sufrirá regularmente calentamientos (diurnos) y enfriamientos (nocturnos). Podemos realizar ensayos al oleoducto cada cierto tiempo y así analizar soldaduras y paredes. Con ello, se alarga la vida útil hasta que el oleoducto presente una cantidad de fallos elevados que no compense su reparación. • Prevención de accidentes laborales: Realizando ensayos a instalaciones de trabajo se pueden predecir posibles peligros al encontrar errores y defectos. • Beneficios económicos: • Directos - Disminución de costes de producción y un aumento de la producción. Por ejemplo, podemos descubrir que la materia prima del proveedor es defectuosa y así evitar llegar al final del proceso de producción sin darnos cuenta que todos los procesos de fabricación se han realizado sobre un material defectuoso. • Indirectos - Ayuda a mejora de Diseño y control de Procesos.
  31. 31. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 4 1.2.2. Clasificación de los Ensayos No Destructivos.
  32. 32. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 5 Método Tipo de discontinuidad Coste del equipo Coste de operación Observaciones Visual y Endos cópico Superficial Bajo Bajo Rápido para grandes observaciones Líquidos penetrantes Superficial Bajo / Medio Bajo Fácil aplicación. Para discontinuidades pequeñas Partículas magnéticas Superficial y subsuperficial Bajo / Medio Bajo Fácil aplicación. Para discontinuidades pequeñas Corrientes inducidas Superficial y subsuperficial Medio Medio Discontinuidades pequeñas. Fácil de automatizar. Campos magnéticos Superficial y subsuperficial Alto Medio Aplicado sobre tuberías ferromagnéticas instaladas Ultrasonidos Internas y superficiales Medio Medio / Alto Óptimo en piezas muy grandes y en laminados de materiales compuestos. Fácil de automatizar. Microondas Internas y superficiales Medio Medio Aplicado en no metálicos en vez de ultrasonidos Radiografía y Gammagrafía Internas y superficiales Alto Alto Piezas finas, gruesas y materiales compuestos y de grano basto. Pobre resolución en grietas. Neutrografía Internas y superficiales Alto Alto Materiales pesados. Útil para detección de corrosión y sellados. Discriminación isotópica. Ensayo de percusión Internas y superficiales Bajo Bajo Grandes discontinuidades en uniones adhesivas. Emisión acústica Todas Muy alto Alto Alerta de posibles fallos en estructuras homogéneas Rayos Infrarrojos Superficial y subsuperficial Medio Bajo Uniones soldadas y adheridas. Detección de puntos calientes. Holografía Superficial y subsuperficial Alto Medio Faltas de pegado en componentes estructurales. Resonancia magnética nuclear Internas Muy alyo Alto Detección de discontinuidades internas en materiales no metálicos. Tomografía computarizada Internas y superficiales Muy alto Alto Defectos en partes complejas huevas. 1.2.3. Los Ensayos No Destructivos en la Industria. A lo largo del siglo XX, los Ensayos No Destructivos (en inglés Nondestructive Testing, NDT) pasaron a ser, de una simple curiosidad de laboratorio, a una herramienta imprescindible en la industria como medio primordial para determinar el nivel de calidad alcanzado en sus productos. Recientemente, los nuevos Conceptos de Fabricación Integrada (del inglés Concepts of Integrated Manufacture, CIM), traen consigo una concepción de la calidad más universal y, frente a la pasada filosofía basada en el Control de Calidad como grupo especializado en comprobar si los encargados de producción están trabajando dentro de especificaciones, es el propio personal de producción quien se ocupa de ello. La contradicción, tantas veces observada en el pasado, del enfrentamiento entre los departamentos de Producción y Calidad de una misma empresa tiende a desaparecer para dar paso a una situación en la que el compromiso con la Calidad es asumido por todos.
  33. 33. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 6 Aparentemente, los Ensayos No Destructivos deberían haber sufrido algún tipo de dilución o pérdida de interés en ese desplazamiento hacia este nuevo espacio de la Calidad, mucho más extenso, abierto y cambiante. Sin embargo, no ha ocurrido así y los Ensayos No Destructivos han visto reforzado su papel, debido sobre todo a la importancia creciente de las técnicas automáticas, aunque dentro de una estructura más vertebrada. Esto representa una contribución decisiva a la estructura de la Calidad ya que permite pasar de los criterios puramente empíricos a otros más objetivos y constituye el eslabón que une el diseño y la evaluación. Figura 1.3. Evolución de los Ensayos No Destructivos antes y después de la Segunda Guerra Mundial. 1.2.4. Antecedentes históricos de los Ensayos No Destructivos. Cuando Arquímedes resolvió el problema de determinar si los orfebres del Rey Hieron II de Siracusa habían, o no, sisado oro a la corona con el experimento de medir su peso dentro y fuera del agua, estaba realizando el primer Ensayo No Destructivo del que se tiene noticia histórica. Al igual el Principio de Arquímedes, la mayor parte de los fenómenos físicos en los que se basan los Ensayos No Destructivos eran ya bien conocidos en la segunda mitad del siglo XIX. Únicamente faltaba que la infraestructura tecnológica fuese suficientemente sólida como para necesitar nuevas herramientas y, al mismo tiempo, hacer posible su desarrollo. Esto no ocurre hasta casi mediado el siglo XX. De hecho, es el contexto industrial creado por la Segunda Guerra Mundial (venció quien consiguió mantener por más tiempo y con más eficacia su infraestructura productiva) lo que genera el impulso para que los Ensayos No Destructivos empezaran a ser ampliamente utilizados. A continuación se ordenan cronológicamente algunos de los descubrimientos o de los hitos que resaltan dentro de la historia de los Ensayos No Destructivos: En 1831 se publica el primer trabajo de Michael Faraday que describe sus experimentos con corrientes eléctricas. Faraday buscaba confirmar por la vía experimental el paralelismo que él suponía debería existir entre el comportamiento de la "electricidad de tensión" (estática) y la corriente eléctrica. Planteamiento inicial de los Ensayos No Destructivos en la industria CONTROL DE CALIDAD PRODUCCIÓN ENFRENTAMIENTO Actualmente existe una Fabricación Integrada (CIM) LA PRODUCCIÓN ASUME EL CONTROL DE CALIDAD Figura 1.4. Michael Faraday
  34. 34. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 7 Su pregunta era: "Si un cuerpo cargado es capaz de inducir carga en otro próximo, ¿por qué la corriente eléctrica no causa otra corriente de la misma naturaleza en los conductores vecinos?" En 1839 Michael Faraday publica su obra "Experimental Research in Electricity" que se considera un clásico de las ciencias físicas y muestra la audacia y el ingenio con que investigaba su autor y la manera clara y cuidadosa con que reconocía la evidencia. Los experimentos que allí se describen permitieron a Faraday sacar a la luz cada uno de los aspectos esenciales de la producción de efectos eléctricos por la acción magnética. Demostró que las corrientes se inducen, en efecto, en otros conductores próximos, pero no por la acción de una corriente estacionaria o constante, sino por corrientes variables. En 1864 James Clerck Maxwell presenta su teoría del electromagnetismo con las ecuaciones que llevan su nombre y que explican los experimentos de Faraday y la generación de corrientes inducidas. Ésta fue una prueba que le permitió a Maxwell predecir, con 24 años de antelación, la existencia de ondas electromagnéticas y que fue demostrada experimentalmente por Hertz en 1888. En 1879 David Edward Hughes realiza experimentos que prueban las grandes posibilidades de aplicación de las corrientes inducidas. Inventor del teletipo y del micrófono, Hughes fue capaz de distinguir diferentes metales y aleaciones entre sí utilizando bobinas diferenciales y un equipamiento extremadamente sencillo e ingenioso. Resulta particularmente acertada su observación sobre la excesiva sensibilidad del fenómeno de la inducción electromagnética, que respondía a variables tan dispares como la naturaleza del material conductor y la "respiración" con la proximidad de las bobinas. Este es precisamente el origen de las dificultades encontradas en el desarrollo de estos métodos que, si bien las investigaciones y los primeros ensayos experimentales precedieron a los de otras técnicas de Ensayos No Destructivos, no se consiguieron alcanzar cotas significativas de aplicación industrial hasta bien entrados los años 50 del siglo XX. En 1895 Wilhelm Conrad Rötgen descubre los rayos X. Cuando trabajaba sobre la extensión del espectro radiante emitido por un tubo de rayos catódicos, observó que la fluorescencia inducida en una pantalla de platinocianuro de bario se producía incluso cuando el tubo estaba recubierto por papel negro. Unos días más tarde, el 20 de Noviembre de 1895, Rötgen realiza la primera radiografía de la historia. Se trataba de la mano de su esposa, Berta Ludwing. Pronto se empieza a aplicar la nueva técnica a la resolución de problemas industriales, pero el manejo de los tubos de gas residual, única fuente de radiación conocida en la época, era muy engorroso y su uso quedó limitado al campo médico. Figura 1.5. James Clerck Maxwell
  35. 35. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 8 En 1896 Henry Becquerel descubre accidentalmente la radioactividad natural en el curso sugerido por H. Poincaré, sobre la posible relación entre los Rayos X y los fenómenos de fluorescencia. A continuación presentamos una tabla resumen donde vienen representados los avances respecto a las técnicas relacionadas con los Ensayos No Destructivos: Hallazgo Descubridor Año del descubrimiento Corrientes eléctricas Michael Faraday 1831 Magnetismo Michael Faraday 1839 Electromagnetismo James Clerck Maxwell 1864 Corrientes inducidas David Edward Hughes 1879 Rayos X Wilhelm Conrad Rötgen 1895 Radiactividad Henry Becquerel 1896 1.2.5. Etapas en la vida de los Ensayos No Destructivos. Etapa Cualitativa. Se extiende, para la mayoría de los métodos, desde la Segunda Guerra Mundial hasta mediados de la década de los años 70. La gran demanda de productos industriales generada por la guerra impulsa el desarrollo de aplicación de nuevas herramientas de control; pero los criterios de aceptación son puramente empíricos y no se dispone de un cuerpo de normas que aporte la estructura necesaria. A los Ensayos No Destructivos se les exige sobre todo detectar discontinuidades. Se desarrollan numerosas técnicas de ensayo aplicables a casi cualquier problema. La práctica totalidad de los ensayos se hace a mano; los automatismos se reservan a casos relativamente sencillos y se aplican técnicas de evaluación del tipo pasa - no pasa. El contexto industrial de la época se caracteriza porque: − Se trabaja con materiales y procesos de fabricación tradicionales. − La energía es barata. − El ahorro de peso estructural no es un requisito fundamental. − En diseño se utilizan coeficientes de seguridad altos: vida segura. − Se acepta la idea de cero defectos como objetivo de la inspección. − En componentes críticos se aplica el rechazo estadístico. − La electrónica está en sus albores y la informática aún no ha llegado. Etapa cuantitativa. A finales de los años 1960 y comienzos de los años 1970, se sucedieron una serie de fallos en aviones, tanto durante la realización de ensayos estructurales como durante la vida en servicio. Algunos de estos fallos fueron atribuidos a defectos o grietas, bien inherentes al material o bien introducidos durante el proceso de fabricación y/o montaje final de la estructura. La presencia de estos defectos no había sido tenida en cuenta durante el diseño que estaba basado en un análisis de fatiga a "vida segura". También a esta época corresponde el desarrollo de la energía eléctrica de origen nuclear que implicó la construcción de numerosas centrales en diferentes países,
  36. 36. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 9 habiéndose de afrontar unas exigencias de calidad, hasta entonces desconocidas, que garantizasen la vida segura de los elementos activos de los circuitos primarios así como de los propios reactores. Las predicciones de vida media se basan en datos de ensayos a fatiga de materiales sin defectos y en análisis de fatiga convencionales. A estos valores se aplicaba un factor de seguridad para tener en cuenta la calidad inicial, las condiciones ambientales, las variaciones en las propiedades del material y otros factores no tenidos en cuenta. Sin embargo, este análisis convencional de vida segura a fatiga no tiene en cuenta adecuadamente la presencia y el crecimiento de los defectos propios del material. Con el fin de garantizar la seguridad de las estructuras de los aviones, a partir de mediados de los años 1970 se adopta el diseño a tolerancia al daño para reemplazar el diseño convencional a fatiga. Se conoce como tolerancia al daño, la capacidad de una estructura para mantener una resistencia residual adecuada aun cuando ésta se encuentre dañada. El diseño a tolerancia al daño supone que las grietas o defectos están inicialmente presentes en la estructura y que, por tanto, ésta debe ser diseñada de forma que estos defectos no crezcan hasta un tamaño crítico que puedan causar el fallo catastrófico de la estructura en un periodo de tiempo determinado. Por tanto, para conseguirlo, será preciso llevar a cabo un análisis de tolerancia al daño lo más exacto posible. Comienza pues a mediados de los años 1970 la etapa cuantitativa de los Ensayos No Destructivos que se transforman en Evaluación No Destructiva, con la adición a veces, de Cuantitativa. Los nuevos criterios, unidos a la crisis energética ocurrida en los años 1970, que trae como consecuencia el encarecimiento brusco de los precios de las primeras materias así como el del coste de su transformación, obliga a extraer cada pieza toda su vida útil, de manera que solamente se retire una pieza del servicio si se demuestra la presencia en ella de grietas, cuyo tamaño sea igual o superior al tamaño crítico que podrían provocar la rotura frágil instantánea. El conservadurismo inherente al rechazo por motivos meramente estadísticos, de componentes que han venido prestando servicio satisfactoriamente, se convierte en intolerable derroche en épocas de escasez de energía y de primeras materias. Si el rechazo se produce por razones estadísticas basadas en el comportamiento medio a fatiga, se demuestra que el 50% de las piezas se retiran del servicio antes de haber cumplido la cuarta parte de su potencial. Este exceso de vida, que se desperdicia en la concepción clásica del mantenimiento, es susceptible de ser aprovechado sólo si se dan las siguientes circunstancias: 1. Se conoce el estado individual de cada pieza. Con ello, se exige disponer de técnicas adecuadas de Ensayos No Destructivos que no se limiten únicamente a detectar la presencia de una grieta sino que, además, están en condiciones de aportar datos cuantitativos de la misma, esto es, dimensiones y situación. 2. Se dispone de herramientas para evaluar el efecto de una grieta. Una
  37. 37. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 10 vez detectada e identificada una grieta, la Mecánica de Fractura, podremos evaluar el efecto de la grieta mediante la determinación de la intensidad máxima de los esfuerzos en la punta de la grieta y su comparación con la resistencia del material. Aún sin terminar la Etapa Cuantitativa de los resultados de los Ensayos No Destructivos, nuevas exigencias, procedentes esta vez del campo astronáutico, plantean exigencias no imaginables hace pocos años. En efecto, los materiales empleados en esta rama muy especializada de la Ingeniería, no sólo han de poseer niveles de calidad muy altos sino que, además, los ensayos que requieran su verificación deben ser tales que no produzcan contaminación alguna. Tal severa exigencia elimina numerosas técnicas tradicionales e incluso algún método. Así ocurre, por ejemplo, con los métodos de Inspección por Líquidos Penetrantes, Partículas Magnéticas o Ultrasonidos por contacto. De hecho, sólo la Inspección Visual o la Radiología cumplen tales exigencias y, bajo ciertas condiciones operatorias, Inspección por Corrientes Inducidas, por referirnos sólo a los métodos convencionales. Estimulados por esta necesidad, algunos métodos han debido desarrollar técnicas específicas muy sofisticadas que permiten sustituir el contacto físico por el óptico. Así, por ejemplo, es posible estimular la generación de ultrasonidos en un material mediante "impacto" de láser y "leer" por este mismo medio las finas vibraciones así generadas. 1.2.6. Ejemplos de utilización de Ensayos No Destructivos. El Santo Sudario (NO INDUSTRIAL). Es una sábana de lino, de 4,36 m de largo y 1,10 m de ancho. Sobre ella se ven enseguida, además de las dos líneas oscuras y de los triángulos blancos, signos de quemaduras (un incendio en 1532), las huellas de una imagen - frontal y dorsal - de un hombre muerto por crucifixión. Muy interesante es, también, el problema histórico de la sábana santa que sigue siendo, como lo definió Giovanni Paolo II, una "provocación para la inteligencia". Desde 1578 la Sábana Santa está conservada en la Catedral de Turín, cuando llegó de Chambéry, antigua capital del Ducado de Saboya. Desde la mitad del siglo XIV hay testimonios históricos de la Sábana Santa seguros y sin más interrupciones: en aquella época el Lienzo es presente en Lirey (Francia); una posible historia precedente vio la Sábana Santa en Oriente (Edesa, Costantinopla), de donde habría sido transportada en Europa durante las Cruzadas.
  38. 38. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 11 En 1453 fue cedida a los Saboyas y siguió a la familia real cuando trasladó la capital en Piamonte. Desde 1694 está guardada (a parte breves interrupciones) en la maravillosa capilla que Guarino Gaurini construyó entre la Catedral y Palacio Real. Desde 1983 la Sábana Santa es propiedad de la Santa Sede, dejada en herencia por Humberto II de Saboya al Papa. En los últimos cuatro siglos la Sábana Santa ha sido expuesta varias veces; la ostensión más reciente es de 1978, para los 400 años del traslado A Turín. La Sábana Santa empezó a "sorprender" hace un siglo cuando, por primera vez, fue fotografiada por Secondo Pia, en 1898: el negativo de la fotografía mostró en detalle y con una evidencia mucho mayor que el "positivo", todos los "signos" que la Sábana Santa guardaba. Los conocimientos científicos con respecto a la Sábana Santa hoy acumulan los resultados de casi un siglo de laboratorio, de documentos, de escritos de vario espesor científico y de varia utilidad que tienen el objetivo de llegar a entender la real entidad de este santo lienzo, y que constituyen la "Sindonología" (porque en italiano la Sábana Santa se llama Síndone), ciencia autónoma. Los temas científicos de discusión van de la biología a la física, de la medicina legal a la arqueología, de la informática al cálculo de las probabilidades. ¿Como se formó la imagen de la Sábana? La ciencia no ha dado todavía explicaciones plausibles. Los resultados de las investigaciones efectuadas en este siglo son los siguientes: • La imagen no es una pintura y ha sido dejada por el cadáver de un hombre fustigado y crucificado. La elaboración del ordenador ha revelado que ella posee propiedades tridimensionales, que no pertenecen ni a las pinturas ni a las normales fotografías; • Sobre el Lienzo se hallaron polenes de flores que han ofrecido fuertes indicios de una presencia de la Sábana Santa no sólo en Europa, sino también en el cercano Levante; • Los análisis de las huellas de sangre han indicado la presencia de sangre humana, del tipo AB. Sobre la Sábana no hay huellas de pigmentos colorantes; • En 1988 ha sido efectuada, sobre un fragmento de la Sábana Santa, la "prueba de datación" con el método del Carbono 14: los resultados dieron al tejido una datación entre el 1260 y el 1390 d.C. Estos resultados son hoy mismo objeto de discusión al interior de la misma comunidad científica; estudios experimentales más recientes han abierto otra vez el problema. Las Meninas de Velázquez (NO INDUSTRIAL). El cuadro de Las Meninas sufrió algunas modificaciones durante su elaboración, como es habitual en el proceso creador de cualquier pintor en muchas de sus obras, para adaptarse a las circunstancias históricas a la vez que se corregían algunos aspectos concretos.
  39. 39. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 12 Entre las principales modificaciones podemos citar una de carácter estructural como fue el descenso de la línea de separación del techo con las paredes del fondo para disminuir éstas y aumentar la superficie representada del techo. Otras correcciones las encontramos en los propios personajes; entre ellas que tenemos la modificación del espejo en el que inicialmente sólo aparecía representado el rey y después se incluye la reina; el cambio de postura y de aspecto del pintor girando hacia la parte izquierda; la variación en el gesto de la mano de la Infanta que inicialmente parecía rechazar el agua que se le ofrece dirigiendo la mano hacia arriba en vez de acercarla a la jarra. Finalmente, algunos años después de acabado el cuadro se añade la cruz de la Orden de Santiago en el pecho del pintor como señal de su ascenso social. Estos cambios son los más llamativos y visibles a través del propio cuadro tras su limpieza, tanto como por las radiografías que se vienen realizando desde 1960, las de 1984 o los estudios más actuales. Aún así hay críticos y estudiosos que creen ver otras figuras en el lienzo, luego eliminadas, y otros detalles como una gran cortina al fondo en el lado derecho o anillos en la mano de Mari Bárbola que no son visibles en el lienzo en su estado actual. En la radiografía del cuadro podemos observar algunos de esos aspectos en los que difiere la obra en sus primeras fases de realización y en su forma definitiva. Estos aspectos se enmarcan con una línea más oscura. La línea en blanco indica la separación entre paredes y techo en la versión final. Tuberías de plantes químicas (INDUSTRIAL). Vasos de presión (INDUSTRIAL). Defectos en fuselajes y motores de aeronaves (INDUSTRIAL). Sistemas aeroespaciales (INDUSTRIAL).
  40. 40. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 13 1.3. Inspección mediante Ensayos No Destructivos. Las etapas básicas de la inspección de un material estructural, mediante métodos de Ensayos No Destructivos, por lo que respecta a problemas de defectología, caracterización y metrología, pueden concretarse en las cuatro siguientes: a) Elección de método y técnica operatoria idóneos. b) Obtención de resultados de medida. c) Evaluación de los resultados. d) Criterios de aceptación o rechazo. 1.3.1. Elección de método y técnica operatoria idóneos. En la elección del método y técnica operatoria idóneos de inspección, hay que tener presente la naturaleza del material, su estado estructural (procesos de elaboración a los que ha sido sometido), el tamaño y forma del producto, así como tener conocimiento sobre el tipo de heterogeneidades que se pretenden detectar o la característica del material a determinar o de la dimensión a medir. Además, hay que tener muy claro que todos los métodos presentan limitaciones de interpretación, limitaciones debidas a la geometría y a la naturaleza del material, así como limitaciones en el campo de observación y en la velocidad de aplicación que permite el ensayo. Por otra parte, cada método posee una sensibilidad limitada, la cual podrá ser adecuada para el examen de un tipo de material con una condición de empleo o de servicio. Teniendo en cuenta que el aumento en la sensibilidad trae consigo, entre otros inconvenientes, el aumento del coste del ensayo, es preciso, para especificar los límites de sensibilidad y tolerancias requeridos en el ensayo, que esté definido claramente el nivel de calidad o límites de aceptación requeridos en el producto. Sin ese requisito no es posible elegir racionalmente un Ensayo No Destructivo. 1.3.2. Obtención de resultados de medida. Los Ensayos No Destructivos siguen procedimientos indirectos, es decir, que determinan la característica buscada en el producto a través de cualquier otra propiedad relacionada con ella. Así, por ejemplo, El método radiográfico facilita una indicación que es una imagen de las heterogeneidades que están presentes en el material. La inspección por ultrasonidos aporta una indicación en una pantalla de rayos catódicos. El examen mediante partículas magnéticas o por líquidos penetrantes, ofrece una indicación que es una ampliación de la heterogeneidad según una sección por la superficie de observación. Los métodos magnéticos y eléctricos miden una variación en las propiedades físicas del material, dando una indicación, según el sistema representativo de cada ensayo, de la que se deducirán variaciones en composición, tratamientos térmicos, espesores, presencia de heterogeneidades, etc.
  41. 41. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 14 En la detección de heterogeneidades mediante Ensayos No Destructivos, las limitaciones en la obtención de una indicación propia vienen supeditadas a su naturaleza, a su morfología, a su situación, a su orientación y a su tamaño. Así, a título de ejemplo, para la obtención de una indicación propia de una grieta las circunstancias óptimas se presentarán cuando sea paralela al haz de radiación X o gamma, perpendicular al haz de ondas ultrasónicas, perpendicular a las líneas de campo magnético y a la superficie de observación y próxima a ella, o que aflore a la superficie, en el caso del ensayo por líquidos penetrantes. Por tanto, es preciso tener conocimiento sobre las características de los productos así como sobre las características de las probables heterogeneidades que puedan estar presentes y sobre los tipos de heterogeneidades que se pueden detectar mediante diferentes técnicas operatorias que permite cada método. 1.3.3. Evaluación de los resultados. La evaluación consiste en hallar la correlación entre la indicación observada con, por ejemplo, la propia naturaleza, morfología, situación, orientación y tamaño de la heterogeneidad; es decir, la evaluación es el dictamen sobre qué es lo que da motivo a una indicación. Para una correcta evaluación, será aconsejable recurrir, en las primeras fases de la puesta a punto del método, a los Ensayos No Destructivos que sean precisos, con el fin de asegurar la validez del ensayo (es esencial realizar Ensayos No Destructivos precisos antes de automatizar un proceso industrial de producción con Ensayos No Destructivos). En algunos casos, bastará la experiencia y pericia del operador. La evaluación es, pues, una función de primordial importancia y su responsabilidad recae de lleno en el experto en los métodos de Ensayos No Destructivos. 1.3.4. Criterios de aceptación o rechazo. Una vez obtenida y evaluada una indicación, se debe decidir sobre cuándo una heterogeneidad o característica del material, incluyendo entre ellas su espesor actual, afecta a su empleo. Así como se vio que la evaluación era una función propia de los expertos en las técnicas de Ensayos No Destructivos, los criterios de aceptación o rechazo son responsabilidad de un equipo humano constituido, esencialmente, por: − Diseñadores. − Personal responsable de ensayos o pruebas del producto. − Expertos en fiabilidad. − Expertos en ciencia de materiales que determinan el nivel de calidad. Este equipo analizará los datos relativos a cargas en servicio y condiciones de funcionamiento, determinará con la ayuda de dichos datos las secciones o zonas críticas de la pieza o del componente estructural y fijará, teniendo en cuenta los ensayos de tenacidad de fractura, el nivel de calidad, es decir, los criterios de aceptación o
  42. 42. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 15 rechazo requeridos. De hecho, los ingenieros, están muy interesados en conocer la contestación a las siguientes preguntas: ¿Puede un proceso de inspección mediante Ensayos No Destructivos garantizar que, mediante el mismo, se detectarán todos los defectos mayores de un determinado tamaño crítico? ¿Cuál es el tamaño del mayor defecto que puede no detectarse durante la inspección? Teniendo en cuenta que el tamaño de la grieta observada se utiliza en los cálculos para determinar la velocidad de crecimiento de la misma, cuanto menor sea el tamaño de la grieta existente en el componente, siempre que se pueda detectar mediante Ensayos No Destructivos, mayor será la vida remanente del componente considerado. De lo anterior se deduce el establecimiento que los criterios de aceptación o rechazo deben ser obra de un equipo formado por el diseñador del componente, un experto en materiales y otro en técnicas de Ensayos No Destructivos. Desgraciadamente, existe la costumbre demasiado frecuente, de asignar a los expertos en las técnicas de Ensayos No Destructivos o de hacer recaer en la persona de un inspector todas esas funciones. En estos casos el inspector basa sus decisiones en su propia experiencia sobre el comportamiento de piezas similares bajo iguales condiciones de servicio. Pero puede ser muy peligroso si extrapola sus conclusiones para condiciones de servicio nuevas y completamente diferentes. En caso de duda el inspector tiende a ser muy precavido y ello supone grandes pérdidas económicas en el sector industrial y también en el de servicios. Figura 1.6. La evaluación de discontinuidades detectadas mediante Ensayos No Destructivos. INDICACIÓN INTERPRETACIÓN FALSA NO RELEVANTE RELEVANTE EVALUACIÓN ACEPTAR RECHAZAR
  43. 43. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 16 1.4. Los Ensayos No Destructivos como parte inseparable del proceso de producción.
  44. 44. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 17 1.5. Factores Económicos. 1.1.1. Calidad: Coste de la Producción VS Valor Comercial del Producto. Es difícil encontrar una definición de la Calidad, pero industrialmente hablando, dicho concepto se puede definir como: Conjunto ponderado de características funcionales, cada una en su grado respectivo, que definen el comportamiento del producto en relación con la finalidad para la que fue proyectado. El gráfico de la figura debido en principio a Leno C. Michelon y generalizado por Colombier, explica de una forma sencilla el fundamento económico de la Calidad, relacionando el coste de una producción, en función de su Calidad, con el valor comercial de esta producción, en función también de esta misma Calidad. Es evidente que la curva del coste de la producción asciende rápidamente al irse aproximando al grado de calidad perfecto. También está claro que el valor comercial del producto se mantiene nulo mientras no se alcanza un grado de calidad mínimo, a partir del cual asciende con bastante rapidez, aminorándose esta velocidad ascendente cuando el producto se aproxima a la perfección. 1.1.2. Balance económico de los métodos de Ensayos No Destructivos. El balance económico de los métodos de Ensayos No Destructivos es una suma algebraica; en la que un sumando es la disminución lograda en los costes de producción y el otro sumando es el coste en sí del ensayo. ENDdeCostesProducciónCostesnDisminucióECONÓMICOBALANCE +−⇒ (Cero defectos) Grado de calidad Valoresmonetarios Valor comercial del producto Coste de la producción Calidad deseada por el taller de producción Calidad ideal Calidad de diseño RENDIMIENTO MÁXIMO
  45. 45. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 18 La disminución de los costes de producción puede ser debida a una o ambas de las razones siguientes: 1. Por ahorro del coste de fabricación de materiales defectuosos que serían rechazados en la inspección final. 2. Por aumento de la producción cuando siguiendo este proceso de inspecciones previas, el porcentaje de chatarra es reducido al mínimo en la inspección final. Los costes de los Ensayos No Destructivos comprenden: • Mano de obra. • Materiales de ensayo (película radiográfica, partículas magnéticas, líquidos penetrantes,…). • Gastos generales variables (energía eléctrica, agua, repuestos,…). • Gastos generales fijos (local, amortización de equipos, seguros,…). Estos costes pueden variar, ampliamente, por alguno o varios de los siguientes parámetros: • La cantidad de piezas a inspeccionar. • La manutención de las partes o elementos a/y desde la unidad de ensayo y durante el ensayo. • La automatización del ensayo en sí mismo. • La sensibilidad requerida del método. • La tolerancia admitida en la interpretación de los resultados. • El porcentaje de partes o elementos defectuosos encontrados en el ensayo. • El nivel o grado de conocimiento requeridos del personal.
  46. 46. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 19 1.6. Los Ensayos No Destructivos aplicados a componentes o conjuntos en servicio.
  47. 47. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 20 1.7. Fiabilidad de los Ensayos No Destructivos. 1.6.1. Fiabilidad de una inspección. La fiabilidad de un proceso de inspección no destructiva es una medida cuantitativa de la eficiencia de ese proceso para detectar defectos de un determinado tipo y tamaño. Al finalizar una inspección, nunca podrá decirse que una determinada pieza está totalmente libre de defectos simplemente basándose en los resultados de la inspección. Únicamente se podrá afirmar que existe una cierta probabilidad de que la pieza está libre de defectos de una determinada clase y tamaño. Cuanto más alto sea el valor de esta probabilidad, mayor será la fiabilidad de la inspección y mayor será la fiabilidad general del conjunto que forma parte la pieza inspeccionada. Durante la inspección no destructiva de un elemento determinado, éste se somete siempre a algún tipo de agente físico, tal como radiaciones, ultrasonidos, campos magnéticos o líquidos penetrantes. Observando la respuesta relativa de este agente, se detectan los defectos y se mide su tamaño. Sin embargo, tal agente no está siempre directamente relacionado con la severidad relativa del defecto. Además, existen otras características de la pieza examinada o del procedimiento de inspección que pueden afectar, además del propio defecto, la respuesta de la pieza inspeccionada al agente físico utilizado. Este hecho introduce un cierto nivel de incertidumbre que impide afirmar, tajantemente, que se ha encontrado un defecto y medido su tamaño. Por otra parte, es preciso tener en cuenta que la inspección no destructiva la realizan personas y que no existen dos que realicen la misma tarea repetitiva de una forma idéntica durante todo el tiempo. Esto es aplicable tanto a las tareas de evaluación de los resultados de la inspección como a la tomad e decisiones basadas en dichas evaluaciones. Consecuentemente, este hecho introduce una incertidumbre adicional a las anteriores y da lugar a la naturaleza probabilista de la fiabilidad de la inspección. 1.6.2. Capacidad de inspección. Los tamaños de defectos máximos aceptables en una pieza dada se determinan, generalmente, a partir de consideraciones de diseño, eligiéndose el método de Ensayo No Destructivo a utilizar en función del tamaño, forma y dimensiones de la pieza en cuestión; de forma que el método elegido posea la resolución suficiente para identificar tales defectos con una probabilidad de detección aceptablemente alta. Sin embargo, tal como se ha visto, existe un gran número de factores que influencian la capacidad de detección de cada uno de los métodos de Ensayos No Destructivos para detectar defectos; por lo que un defecto de aproximadamente el tamaño máximo aceptable, tendrá solamente una cierta probabilidad finita de ser encontrado. Por tanto, debe conocerse y tenerse en cuenta la posibilidad de que un defecto de tamaño superior al aceptable no sea detectado. Las consecuencias de este hecho se deben considerar en el diseño; así como, en el momento de especificar los procedimientos de inspección y los intervalos en que ésta debe llevarse a cabo. La elección de un método de Ensayo No Destructivo es, como se ha visto, una decisión comprometida ya que, aún con todos los métodos disponibles, es difícil determinar el tamaño de los defectos de una forma precisa así como evaluar su importancia.
  48. 48. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 21 1.6.3. Factor de seguridad. El concepto de Mecánica de Fractura del diseño no sólo reconoce la existencia de defectos en una pieza dada sino que describe cuantitativamente, como ya sabemos, el efecto de cualquier defecto que exista. Definiremos el tamaño crítico de factura como el elemento estructural más crítico, es decir aquel que estará sometido a una mayor concentración de esfuerzos determinada, tanto por la carga de diseño como por el tamaño del mayor defecto que puede ser tolerado por el citado elemento estructural. Por lo tanto, el papel de la inspección no destructiva será garantizar que la estructura, cuando sea puesta en servicio, está libre de grietas de un tamaño igual o superior al crítico de fractura para las cargas de diseño. Además, puede ser necesario garantizar que la citada estructura está también libre de grietas de un tamaño inferior al crítico, cuando dicha estructura esté sometida a cargas de fatiga. El hecho de que un elemento esté diseñado con la hipótesis de que ninguna de las grietas inicialmente presentes en el mismo crecerán hasta alcanzar su tamaño crítico de rotura, durante su vida en servicio, añade una responsabilidad adicional a los procesos de inspección. La capacidad de las técnicas de inspección no destructiva de localizar defectos de varios tamaños (o de no localizarlos), nos lleva directamente a una evaluación cuantitativa de la fiabilidad en servicio, que es una medida de la calidad del producto. A la inspección no destructiva se le exige la capacidad de detectar pequeñas grietas, así como, la de determinar la fiabilidad práctica a partir de los datos obtenidos de un proceso de inspección se ha dirigido a detectar defectos de un tipo y tamaño específicos. Si el diseño es tal que el tamaño crítico de grieta, basado en las cargas de diseño, es mayor que el defecto más pequeño que pueda ser detectado fiablemente con un proceso de inspección dado, querrá decir que el proceso de inspección es adecuado. La diferencia entre el tamaño crítico y el menor tamaño que se puede detectar es el factor de seguridad. 1.6.4. Concepto de "detectabilidad". El propósito de un tratamiento estadístico de los datos de la inspección no destructiva es el desarrollar generalizaciones basadas en datos de muestreos y, de esa forma, predecir los resultados de inspecciones futuras sobre la base de los análisis de los registros de inspecciones estadísticas podrían ir más allá del análisis de los datos de inspección, por lo que se debe tomar una extrema precaución en el desarrollo de las citadas generalizaciones y se debe evaluar cuidadosamente dónde son razonables, justificables y aplicables las mismas y dónde sería adecuado adquirir datos adicionales. Siempre se deberá tener en cuenta que la deducción estadística incluye la probabilidad de hacer deducciones incorrectas basadas en los datos disponibles que pueden no coincidir con los límites permisibles. La probabilidad de detectar un defecto, o "detectabilidad", se define como la probabilidad de que un operador entrenado, utilizando un procedimiento de inspección dado, detecte un defecto, siempre que éste exista realmente.
  49. 49. Tema I Fundamentos Generales de Ensayos No Destructivos Fundamentos de Ensayos No Destructivos Jaime Martínez Verdú 22 Una probabilidad de detección se puede determinar experimentalmente, observando el número de veces que un determinado proceso de inspección no destructiva revela defectos en un conjunto de piezas en las que se conoce la existencia de defectos. Una probabilidad del 95 % implica que de cada 100 piezas defectuosas inspeccionadas, al menos 95 son identificadas como defectuosas y que no más de cinco son clasificadas como piezas sanas.
  50. 50. 30 INGENIER´IA INDUSTRIAL. FUNDAMENTOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS CUESTIONES TEMA 1 1. Exp´on brevemente la relaci´on entre Calidad Industrial y Ensayos. 2. Explica brevemente las razones industriales que llevaron a pasar de la evaluaci´on cualitativa a la cuantitativa en END. 3. ¿Cuales son los tres principales tipos de Ensayos industriales? Pon un ejemplo de cada uno de ellos. 4. ¿En que consiste y de qui´en depende el establecimiento de los criterios de aceptaci´on o rechazo en el proceso de END? 5. ¿Qu´e se debe tener en cuenta para definir los m´etodos de examen m´as adecuados y los criterios de aceptaci´on de un END? 6. Define la Calidad desde el punto de vista industrial 7. Explica brevemente como los END pueden contribuir al aumento de la producci´on. 8. ¿En qu´e condiciones es rentable industrialmente la implantaci´on de END en un proceso de pro- ducci´on? 9. Cu´ales son los criterios generales para la elecci´on del m´etodo y la t´ecnica apropiada de una ins- peci´on de END. 10. ¿Qu´e se entiende por fiabilidad de los END? 11. ¿Cuales son las diferencias fundamentales entre un ensayo funcional y un ensayo no destructivo? 12. Una de las limitaciones a la hora de elegir el m´etodo y la t´ecnica apropiada para aplicar un ensayo no destructivo es la geometr´ıa de las piezas a ensayar. Pon dos ejemplos donde este factor sea determinante para dos m´etodos distintos de END. 1
  51. 51. 1. Expón brevemente la relación entre calidad industrial y ensayos. Entre los Ensayos y la Calidad Industrial existe un fuerte vínculo que las mantiene unidas de modo que, un proceso industrial de fabricación de una determinada pieza se convierte en más rentable, eficaz y fiable si sobre él se aplican técnicas de ensayos. Los ensayos aportan información, por ejemplo, sobre el estado del material pudiendo así realizar ensayos durante cada cambio de fase del proceso desechándolo al encontrar un defecto o deterioro.
  52. 52. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 1 ULTRASONIDOS TEMA 2
  53. 53. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 2 •Introducción •Ondas sonoras en medios materiales •Emisores y receptores de ondas sonoras •Sistemas Pulso-Eco •Calibración de equipos •Sensibilidad de detección •Aplicaciones 4Reflexión y refracción 4Atenuación 4Acoplantes
  54. 54. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 3 Ensayo no destructivo basado en la transmisión de las ondas acústicas de alta frecuencia en los materiales Ultrasonidos: ondas acústicas con frecuencias superiores a las audibles Las ondas sonoras se propagan en medios materiales por las vibraciones de los átomos y moléculas presentes, viajando con una velocidad que depende de las propiedades mecánicas del medio ULTRASONIDOS*
  55. 55. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 4 Ejemplos históricos de utilización de ondas sonoras como* sistema de detección y control de calidad •resonancia de las tazas de porcelana •copas de cristal •ruedas de trenes •Propagación de ondas sonoras en el medio líquido: el hidrófono de Leonardo da Vinci para detectar barcos a largas distancias (no es direccional)
  56. 56. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 5 Direccionalidad de las ondas sonoras* Se utilizan fuentes de sonido con haces estrechos que exploran el sólido, a modo de un escáner Para ello se utilizan ondas de sonido con pequeñas longitudes de onda (frecuencias altas), con un diámetro de oscilador mucho mayor que la longitud de onda del sonido Dirección de la onda de sonido radiada por un oscilador
  57. 57. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 6 Ultrasonidos en END* •Utilizan ondas sonoras con frecuencias sobre el rango audible, por encima de los 20 kHz. •En general se utilizan frecuencias comprendidas entre 1 y 25 MHz. •Dichas ondas se propagan por los medios materiales a estudiar, dentro de los cuales sufren fenómenos de refracción, reflexión y atenuación •La detección de defectos se realiza a partir de refracciones, reflexiones y atenuaciones anómalas en el interior del material, entre la señal emitida (superficie de entrada) y la detectada (superficie de salida, o su eco)
  58. 58. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 7 Aplicaciones de los US •Detección de heterogeneidades: poros, grietas, fracturas, defectos en soldaduras •Medida de espesores: control de corrosión en paredes de tuberías y contenedores sujetos a procesos químicos con cambios de espesor en sus paredes •Determinación de propiedades físicas y estructurales de los materiales. Utilizados para determinar diferentes tratamientos térmicos, granularidad, módulos de elasticidad (Young)
  59. 59. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 8 Ventajas de los US* Alto poder de penetración. Aporta información de todo el volumen de la muestra Puede examinar piezas de acero de hasta 500 mm Ejes de hasta 6 metros de longitud Alta sensibilidad. Posibilidad de detección de defectos de muy pequeño tamaño. (Dependiendo de la calidad del material: buena detección en material de grano fino con buen acabado superficial, mala en material en estado bruto de moldeo) Determinación precisa de la posición, tamaño, orientación, forma y naturaleza de los defectos
  60. 60. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 9 Resultado en tiempo real. Es posible la automatización de la exploración y la evaluación automática Documentación y almacenamiento de datos del ensayo con fácil procesado digital •Equipos portátiles •No hay riesgos para el operador •Versatilidad en los equipos de medida Es suficiente el acceso por una única superficie de la muestra * Nivel de llenado de vasijas cerradas o la determinación de espesores de tubos o paredes de tanques
  61. 61. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 10 Ondas sonoras: se propagan en los medios materiales bajo la forma de presiones locales, o presiones sonoras P, sobre el valor de la presión atmosférica. El exceso de presión provoca un desplazamiento de las partículas que componen el medio con una velocidad Q. Las partículas pueden ser átomos, moléculas, o agrupaciones de átomos ó moléculas. Las ondas sonoras no se propagan en el vacío. Propagación de ondas sonoras*
  62. 62. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 11 Impedancia Acústica* Se define la Impedancia Acústica Z de un medio material como el cociente entre el exceso de presión y la velocidad de desplazamiento que provoca en las partículas del medio Z Q P = Z: Impedancia específica de un medio, caracteriza el comportamiento de las ondas sonoras en él. Se puede demostrar que , donde ρ es la densidad del medio y V la velocidad de propagación de la onda VZ ρ= Unidades: Rayl = kg m-2 s-1
  63. 63. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 12 Expresión matemática de una onda sonora ( )kxtsinY x sinYY −=      −= ×× ϖ00 2 λτ t π λ: longitud de onda k: numero de onda (2π/λ) τ: período ϖ: frecuencia angular (2π/τ) ν: frecuencia (1/τ)
  64. 64. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 13 Tipos de ondas (Modos de vibración) •Ondas longitudinales •Ondas transversales •Ondas superficiales •Ondas de chapa (laminares) Love Lamb •Stonely •Sezawa Más utilizadas en END Ondas transversales Ondas longitudinales
  65. 65. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 14 Ondas longitudinales (de dilatación, de compresión, de presión) Vibración de las partículas: Paralela a la dirección de propagación Medios materiales: sólidos, líquidos, gases Velocidad de propagación: Comentarios: Muy extendidas en END. VBL ~ 1.3 VL Ondas planas: objetos con tamaño < λ Ondas bloque: objetos con tamaño >> λ ρ EVL = ( ) ( )[ ]2σ-1σ1ρ σ-1E BL +× =V E: módulo de Young r: densidad σ: relación de Poisson
  66. 66. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 15 Ondas transversales (cortantes, de distorsión, shear) Vibración de las partículas: perpendicular a la dirección de propagación Medios materiales: sólidos (no se propagan en gases o líquidos, no hay resistencia a desplazamientos transversales, no hay ligaduras con una posición cero de equilibrio) Velocidad de propagación: Comentarios: VT ~ 0.5 VL ρ GVT = G: Módulo cortante (shear)
  67. 67. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 16 Ondas superficiales (de Rayleigh) Vibración de las partículas: órbitas elípticas, modos simétricos Medios materiales: Cualquier superficie. Eje mayor: perpendicular a la superficie. Eje menor: paralelo a la dirección de propagación Comentarios:similares a las olas del mar
  68. 68. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 17
  69. 69. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 18
  70. 70. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 19
  71. 71. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 20 Transmisión y Reflexión de ondas sonoras Se detectan bordes de discontinuidades internas en el material debido a que las ondas ultrasónicas sufren un cambio en su propagación. Este efecto constituye el fundamento de la detección de inhomogeneidades por ultrasonidos Ese cambio es producido por reflexiones parciales de la onda acústica. Parte de la onda es transmitida, y parte reflejada, conservándose la energía total de la onda incidente La frontera (borde de la discontinuidad, cambio de medio,...) ha de ser de mayor tamaño que la longitud de onda de ultrasonido que estemos empleando
  72. 72. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 21 Incidencia normal
  73. 73. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 22 Onda transmitida. Por la conservación de la energía tendremos que la proporción de la onda transmitida vendrá dada por la expresión ( )2 21 214 1 ZZ ZZ RT EE + =−= Onda reflejada. La fracción de energía de la onda reflejada en un cambio entre 2 medios de impedancia Z1 y Z2 se calcula como 2 12 12           = + − ZZ ZZ RE
  74. 74. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 23 Incidencia oblicua Esquema simplificado
  75. 75. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 24 Transmisión y reflexión de grietas en materiales Transmisión y reflexión de una grieta en aluminio y acero con relleno se aire y agua, respectivamente
  76. 76. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 25 Ley de Snell Relaciona las direcciones de la onda sonoras incidente y de la transmitido: 2 1 2 1 V V = α α sen sen α1: ángulo de incidencia α2 : ángulo transmitido V1, V2, velocidad de propagación en cada uno de los medios
  77. 77. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 26 Proporción de energía ultrasónica transmitida entre 2 medios con diferente impedancia
  78. 78. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 27 Conversión de tipo de ondas en fronteras entre dos medios En general, cuando una onda longitudinal alcanza una frontera entre dos medios de diferente impedancia Z, se refleja una onda longitudinal, y se transmite parte de la onda incidente, según la ley de Snell. Pero parte de la onda longitudinal transfiere energía a una onda transversal que se refleja hacia el medio 1 y se transmite en el 2
  79. 79. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 28 Las ondas transversales verifican también la ley de Snell, con las velocidades de propagación de ondas transversales para cada uno de los medios: 2 1 T T V V = 2 1 βsen βsen VT: Velocidad de ondas transversales Dado que VL > VT , los ángulos de refracción y reflexión de las ondas transversales será menor que los correspondientes a las longitudinales En medios líquidos o gases las ondas transversales no se propagan, por lo que solo tenemos ondas longitudinales 2 1 T L V V = 2 1 βsen αsen
  80. 80. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 29 Angulo Crítico En cuerpos sólidos, donde se propagan tanto las ondas transversales como las longitudinales, podemos eliminar la onda longitudinal si se refracta con un ángulo ≥90º Es decir: L2 L1 1c 1c V V αsen 9sen αsen == 0 De donde se deduce que si el ángulo de incidencia es igual o mayor al asen del cociente de las velocidades de los 2 medios la onda longitudinal se extingue: Primer ángulo crítico L2 L1 1c V V asenα = Siempre que VL1<VL2
  81. 81. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 30 De la misma forma podemos llegar al ángulo crítico correspondiente a la onda transversal Segundo ángulo crítico T2 L1 1c2 V V asenα = Onda transversal pura: ángulo de incidencia entre el 1er y el 2º ángulo crítico Onda superficial (de Rayleigh): ángulo de incidencia 2º ángulo crítico La variación con la frecuencia de las velocidades L y T de propagación de ondas sonoras en un medio es muy pequeña en el rango utilizado en END, por lo que los ángulos críticos permanecen constantes
  82. 82. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 31 Cuña de plexiglás Ensayo de inmersión Metal 1er ángulo crítico 2º ángulo crítico 1er ángulo crítico 2º ángulo crítico Acero 27 56 15 27 Acero inox 302 28 59 15 29 Aluminio 2117-T4 25 59 14 29 Berilio 12 18 7 10 Magnesio MIA 27 59 15 29 Titanio 26 59 14 29 Tungsteno 31 68 17 31 Tabla de valores de ángulos críticos
  83. 83. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 32 Atenuación de ondas Se produce atenuación de las ondas sonoras por: •Ensanchamiento del haz •Dispersión en el material •Reflexión por cambio de medio •Atenuación por fricción de la vibración de las partículas del medio Expresión de la atenuación (amplitud e intensidad) x x eII µ− = 0 x x eAA 'µ− = 0 Ix = Ax 2 ⇒ µ=2µ’ µ', µ: coeficientes de atenuación de amplitud e intensidad
  84. 84. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 33 El coeficiente de atenuación se descompone en dos términos µ = µΤ + µS µΤ: Absorción debida a fricción entre las partículas del material µS: Absorción debida a dispersión de las ondas sonoras Mecanismos de atenuación Mecanismos de absorción en sólidos: dependen de la frecuencia ν de la onda. La energía sonora se convierte en calor. Despreciable en frecuencias entre 1 y 10 MHz (END) Mecanismos de dispersión en sólidos: dependen del tamaño medio de las partículas (grano) que lo componen, D, y de inhomogeneidades en el material: •fases diferentes •inclusiones •segregaciones •microcavidades
  85. 85. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 34 •Si λ >> D, µS es proporcional a D3ν4 •Si λ ≈ D, µS es proporcional a D ν2 •Si λ ≤ D, µS es proporcional a 1/D La dispersión en función del tamaño de grano Anisotropía. En determinados materiales con estructuras ordenadas la atenuación depende de la dirección de incidencia de la onda. En este caso hay que tener en cuenta la orientación del emisor y el receptor de ultrasonidos a la hora de realizar un ensayo
  86. 86. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 35 Unidades de atenuación: Decibelio y Neper Decibelio 00 2 11 I I xA A x x e x e loglogμNP − = − =Neper 0 10 0 10 1020 I I xA A x xx loglogμdB − = − = Conversión de unidades NP.dB μμ 6868=
  87. 87. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 36 •Las atenuaciones expresadas en Np o dB son lineales con la distancia, y por consiguiente aditivas •Las ondas longitudinales y transversales tienen diferentes características de atenuación •La atenuación depende fuertemente de la frecuencia de la onda
  88. 88. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 37 Acoplantes Cuando un palpador se coloca junto a una pieza para realizar un ensayo no destructivo, es preciso garantizar un buen contacto sonoro entre ambos. Para ello se utiliza un líquido acoplante, cuya misión es aumentar la transmisión sonora entre el palpador y la pieza e impedir que entre ambas haya una película de aire. El aire tiene una impedancia sonora mucho menor que cualquier líquido o sólido. Líquidos y sólidos tienen impedancias del mismo orden Ejemplo: Acoplante aire - Coeficiente de reflexión aire -acero ≈ 100% Acoplante agua - Coeficiente de reflexión agua -acero ≈ 88% La presencia de agua permitirá que un 12% de la energía sonora entre en la muestra
  89. 89. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 38 Los acoplantes deben •Empapar completamente y por igual ambas superficies •Eliminar todo el aire •Rellenar todas las irregularidades de ambas superficies para obtener una superficie suave •Permitir el movimiento libre del palpador sobre la pieza •Ser fácil de aplicar, eliminar e inofensivo para las superficies •La lámina de acoplante debe ser muy delgada, para no alterar la dirección de las ondas sonoras En casos excepcionales se utilizan acoplantes especiales •Superficies verticales o muy rugosas: grasas o aceites pesados •Si no se pueden utilizar líquidos: materiales gomosos
  90. 90. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 39 Optimización del acoplante La energía transmitida entre oscilador y la pieza se puede aumentar si se elige una lámina con impedancia acústica igual a la media geométrica de los medios involucrados (palpador y pieza) y con espesor igual a λ    − 4 12n n: entero λ: longitud de onda Lista de acoplantes e impedancias Acoplantes Impedancias acústicas específicas (106 Rayl) Agua 1.5 Aceite de silicona 1.58 Glicerina (2 partes de agua + 1 glicerina) 2.4 Aceite y grasa denso, gel de petróleo(sup verticales) 3 Perspex, plexiglás, goma delgada 2-3.5 Aire 0.00033 Acero 44.7
  91. 91. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 40 Forma del pulso y del haz de una onda ultrasónica Métodos de END por pulsos de eco y por transmisión: pulsos de 1µs El pulso emitido se compone de un conjunto de frecuencias superpuestas. La superposición de esas frecuencias componen una onda única que puede ser rectificada o suavizada antes de emitida Rectificado Suavizado Ondas emitidas Superposición
  92. 92. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 41 Geometría del haz Es variable espacialmente según sea la relación en tamaños entre el área del oscilador y la longitud de onda que emite, debido a efectos de difracción en el cristal oscilador. La característica direccional del haz aumenta según aumenta la relación ∆/λ (∆: diámetro del oscilador) Los lóbulos laterales pueden atenuarse con el empleo de pulsos muy cortos
  93. 93. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 42 Campo lejano y campo cercano La intensidad de la onda sonora emitida por un oscilador no es uniforme, si no que varía con la distancia, debido a efectos de difracción del oscilador, que tiene dimensiones finitas La geometría de un haz de ultrasonidos tiene una forma similar a la que emite una linterna
  94. 94. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 43 Campo cercano o de Fresnel A distancias cortas del emisor existen importantes oscilaciones en intensidad. Se le denomina zona de Fresnel o de campo cercano. La longitud del campo cercano N se calcula como: 4V νΔ λ Δ 22 4 ==N El campo cercano es menor cuanto mayor es λ Campo lejano o de Fraunhofer El haz tiene una intensidad mucho más uniforme a distancias largas, campo lejano o de Fraunhofer, en el que la onda se comporta como si fuera emitida por el centro geométrico del oscilador La expresión de la anchura angular de la onda viene dado por Δ 1.22λ senα =
  95. 95. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 44 Valores típicos de frecuencias, longitudes de onda, anchura angular, diámetro de oscilador distancias de campo cercano para muestras de acero Diámetros de oscilador, ∆ Frecuencia ν, MHz Longitud de onda λ, cm 0.95 cm α N, cm 1.27 cm α N, cm 1.9 cm α N, cm 2.54 cm α N, cm 1 0.581 48º10´ 0.15 34º 0.27 21º52´ 0.61 16º10´ 1.1 2.25 0.259 19º23´ 0.34 14º25´ 0.61 9º25´ 1.37 7º33´ 2.45 5 0.116 8º34´ 0.77 6º25´ 1.4 4º16´ 3.06 3º10´ 5.5 10 0.058 4º16´ 1.53 3º11´ 2.73 2º8´ 6.13 1º36´ 10.95
  96. 96. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 45 Osciladores ultrasónicos Las ondas de ultrasonidos se generan por medio de osciladores en los que un pulso eléctrico rápido y repentino (tiempo de ataque < 10ns), es convertido en una vibración mecánica de alta frecuencia en el sólido Fundamentos físicos de la emisión de ondas ultrasónicas Efecto piezoeléctrico y ferroeléctrico: Cristales con estructuras asimétricas sujetos a presión, desplazan cargas eléctricas en caras opuestas del cristal, mientras cambian sus dimensiones. El efecto inverso ocurre al aplicar un potencial eléctrico, lo que provoca un cambio en las dimensiones del cristal. Es el método más utilizado en END Materiales: Cristales piezoeléctricos simples, Cerámicas ferroeléctricas policristalinas, plásticos ferroeléctricos, resinas
  97. 97. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 46 Efecto de magnetostrición: El material ferromagnético cambia sus dimensiones con la magnetización (uso muy limitado en END) Materiales: Ferromagnéticos, Ni Acústica electromagnética: Corrientes inducidas con radiofrecuencias en un conductor eléctrico en un campo magnético provocan una vibración superficial Materiales: conductores eléctricos Generación láser: calentamiento localizado por pulsos láser provocan expansiones y contracciones muy rápidas del material Material: todos los sólidos y líquidos
  98. 98. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 47 Osciladores ultrasónicos en END •Material piezoeléctrico: Cristal de cuarzo α •Cerámica ferroeléctrica policristalina, PZT5 Se caracterizan por la deformación ε’ producida al aplicársele en campo eléctrico F, e inversamente, por el campo F generado al aplicar una tensión mecánica σ’ En ambos casos la relación entre perturbación mecánica y eléctrica es lineal: • ε’ = α F • F = β σ’ α, β constantes piezoeléctricas, relacionadas por la ley de Hooke: αβ 1 YoungdeMódulo =E
  99. 99. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 48 Buen transmisor: α alta Buen receptor: β alta Características de los osciladores Incompatible según la ley de Hooke Material Tipo α β Z mV-1 x 10-12 mV-1Pa-1 x 10-3 106 kg/m2 s Cuarzo α Cristal piezoeléctrico 2.3 58 15.2 simple Titanato Zirconato Cerámica policristalina 374 15 28-30 de Plomo PZT5 ferroeléctrica Sulfato de litio Cristal piezoeléctrico 16 175 11.2 simple
  100. 100. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 49 Amortiguación del cristal Es la respuesta de resonancia del cristal al aplicarle una corriente eléctrica Parámetro importante en un sistema emisor-receptor: la recepción no se activa hasta que el pulso no ha salido completamente del cristal Zona muerta: distancia correspondiente al tiempo durante la cual no se activa la recepción de ondas, y en la cual el equipo no será capaz de detectar discontinuidades Ver figura de la diapositiva 43 El pulso de ultrasonidos tiene una duración de 1 µs. Debido a la gran amplitud del eco procedente de la frontera palpador-pieza, que implica gran anchura temporal en el detector, los ecos de discontinuidades recibidos en tiempos incluidos dentro de ese eco se confunden con él. Este efecto se puede minimizar, siempre que sea posible, con las siguientes técnicas: uso de pulsos más cortos, cubetas de inmersión, sistemas retardados, utilización de sistemas duales palpador-receptor
  101. 101. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 50 Un oscilador consta de un elemento activo (PZT, PMN,...), superficie de adaptación (protectora del elemento activo), platina trasera de alta densidad (absorbente de ondas sonoras ) y conexiones eléctricas
  102. 102. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 51 Ensayos de inmersión Es el procedimiento ideal para mantener en todo el ensayo un buen acoplamiento entre el palpador y la muestra. Garantiza un acoplamiento uniforme en todo el ensayo, facilita el trabajo con formas complejas, es apropiado para exploraciones 2D, aumenta la detectabilidad de pequeños defectos.
  103. 103. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 52 Sistemas de ensayo pulso - eco Los procedimientos de ensayo se clasifican según la siguiente lista •A-scan: detección unidimensional a partir de ecos ultrasónicos •B-scan: consiste en una serie de A-scan paralelos, y conduce a una detección bidimensional •C-scan: consiste en una serie de A-scan paralelos en los que se restringe el tiempo de detección. Esto equivale a un B-scan en una cierta profundidad de la muestra. Barriendo los tiempos de detección se consigue una vista tridimensional. •M-mode: serie de A-scan en diferentes tiempos. Es un ensayo dinámico
  104. 104. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 53 Sistema B - Scan Sistema automático para la inspección de uniones adhesivas
  105. 105. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 54 Calibración de equipos Para relacionar la señal del osciloscopio con la detección de reflectores o inhomogeneidades en una pieza es precisa la utilización de un objeto de referencia, denominados bloques o patrones de calibración Hay diferentes patrones, según sea el tipo de medida a realizar, pero los más usuales son los siguientes:
  106. 106. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 55 •Patrón IIW-A2 (International Institute of Welding). Es el de uso más extendido.Proporciona calibraciones de distancia, sensibilidad, resolución, localización de punto emisor y receptor, y ángulo de propagación del sonido en incidencia angular
  107. 107. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 56 •Patrón angular. Proporciona calibraciones de distancia para palpadores angulares, localización de punto emisor y receptor, y ángulo de propagación del sonido en incidencia angular
  108. 108. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 57 •Patrón de calibración de espesores, para ondas longitudinales en incidencia normal. Consiste en una escalera calibrada con diferentes espesores.
  109. 109. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 58 Resolución Es la posibilidad del sistema de separar diferentes señales procedentes de defectos separados por una cierta distancia. Se puede determinar con la utilización de bloques de calibración Tamaño de defecto No hay una relación simple entre el tamaño de un reflector y la señal que recibe el detector. La amplitud de la señal depende la microestructura del metal, su tamaño de grano, la distancia y orientación del reflector, y la diferencia de impedancia. Se suelen fabricar patrones específicos para una determinada muestra, con taladros de diferentes diámetros y profundidades del mismo material que la pieza a ensayar
  110. 110. Ensayos No Destructivos - Tema 2 - Ultrasonidos 59 Inspección en metales •Uniones soldadas, soldaduras de aluminio •Piezas de fundición •Hilos, placas delgadas •Tubos y barras •Piezas mecanizadas •Uniones soldadas o pegadas •Rivetes y agujeros •Cañerías y cilindros •Calderas •Ferrocarriles •Centrales nucleares •Crecimiento de grietas •Tensiones, corrosión •Soldadura de punto •Extrusión •Porosidad •Microestructura •Transformación de fase •Estructuras de nido de abeja Aplicaciones Inspección en no metales •Materiales cerámicos •Rocas •Cementos •Materiales compuestos •Grafitos y carbones •Madera, piel •Materiales viscoelásticos, plásticos, goma •Fibras delgadas •Sólidos piezoeléctricos •Abrasivos, adhesivos •Sólidos anisótropos •Superficies, fronteras, sólidos laminados, recubrimientos, plateados, películas delgadas
  111. 111. TEMA 2 – INSPECCIÓN POR ULTRASONIDOS "Ensayo no destructivo basado en la transmisión de las ondas acústicas de alta frecuencia en los materiales." 2.1. Introducción 1 2.1.1. Antecedentes históricos 1 2.1.2. Ondas ultrasónicas 2 2.2. Descripción del método 3 2.2.1. Principios Físicos 3 2.2.2. Sistema de Inspección 5 2.2.3. Profundidad de Penetración de las Corrientes Inducidas 6 2.2.4. Selección de las Frecuencias de Inspección 7 2.2.5. Bobinas de inspección empleadas en el método de Corrientes inducidas 8 2.3. Aplicaciones 9 2.3.1. Ensayos de grietas y discontinuidades 3 2.3.2. Medidas de grietas y discontinuidades 5 2.3.3. Determinación de espesores de recubrimientos 6 2.3.4. Defectos superficiales: corrosión, daños térmicos, endurecimientos,… 7
  112. 112. Fundamentos de Ensayos No Destructivos Tema 2 - Inspección por Ultrasonidos Jaime Martínez Verdú 1 2.1. Introducción. 2.1.1. Antecedentes históricos. Las ondas sonoras viajan a través de un medio material gracias a las vibraciones presentes en los átomos y moléculas, propagándose con una velocidad cuyo valor depende del las propiedades mecánicas del medio. En control por ultrasonidos se emplean haces de ondas acústicas de alta frecuencia que se propagan a través del material y se reflejan, dispersan y atenúan, haciendo posible la detección de heterogeneidades, la medida de espesores o la determinación de ciertas propiedades tecnológicas. Es muy conocido que el estado de perfección de un sólido puede ser predicho a través de, por ejemplo: • La resonancia provocada en tazas de porcelana. • La resonancia provocada en copas de cristal. • La reverberación producida por el golpeo a las ruedas de tren. En este tipo de ensayos, se utilizan ondas sonoras donde la resonancia se encuentra dentro del rango audible, y esto nos puede dar una buena idea del estado del espécimen a observar. En los líquidos, el sonido puede recorrer enormes distancias; Leonardo Da Vinci describió en 1490 un sencillo hidrófono (colocado en lo alto de un tubo largo situado en el mar) donde, por medio del oído, se conseguía escuchar barcos localizados a grandes distancias; de hecho, hoy en día podemos emitir una serie de pulsos sónicos emitidos cerca de Perth, Australia, y pueden ser detectados en Bermuda, Jamaica. Sin embargo, el método de Da Vinci no indica la dirección de las ondas sonoras y, además, las direcciones de las ondas no son cómodamente obtenibles mediante métodos sencillos. Por ello son necesarias técnicas mucho más precisas para poder localizar los focos emisores de las ondas sonoras; y esto requiere la utilización de fuentes de sonido con haces estrechos que exploran el sólido a modo de sónar. Para ello, se emplean ondas de sonido con pequeñas longitudes de onda (o sea, frecuencias altas), con un diámetro de oscilador mucho mayor que la longitud de onda sonora. Figura 2.1. Dirección de la onda sonora radiada por un oscilador. El sonido que sale de un transductor se concentra en una mitad de ángulo α, que viene determinado por la dirección del primer mínimo del patrón de la difracción del sonido. Por ejemplo, en el caso de acero examinado empleando ondas ultrasónicas de frecuencia de 1 MHz, y usando un palpador de 3 cm de diámetro dará lugar a un ángulo divergente de 2α = 14º.α
  113. 113. Fundamentos de Ensayos No Destructivos Tema 2 - Inspección por Ultrasonidos Jaime Martínez Verdú 2 2.1.2. Ondas ultrasónicas. Cuando surge una perturbación en uno de los límites de un sólido, ésta viaja a través del medio sólido a causa de las vibraciones que sufren las moléculas, átomos o partículas presentes (empleando para ello un tiempo finito) en forma de onda sonora. Estas vibraciones conducen a la propagación de la onda, que viaja a través del medio con una concreta longitud de onda dentro de un rango de valores que va desde la longitud de onda más larga de 10.000 m hasta la más corta de 10-5 m. Por ejemplo, las ondas sonoras emitidas por la hélice de un barco al propulsarse en el agua corresponden a ondas con longitudes de onda λ's grandes mientras que, en contra punto, las ondas sonoras con longitudes de onda λ's cortas son manejadas generalmente en aplicaciones médicas o de investigación industrial. En la sencilla ilustración se puede observar como al golpear en uno de los límites de una barra de material da lugar a vibraciones de carácter longitudinal o transversal; este golpe se traduce en una propagación de dichas ondas, en forma de pulsos sonoros, a través de la barra de material. Podemos intuir que la capacidad de propagarse de una onda sonora a través de la barra o, dicho de otro modo, la habilidad de la barra para vibrar bajo la acción de una fuerza dependerá de: 1. La fuerza con que golpeemos el martillo. 2. La resistencia a vibrar de los átomos que conforman el sólido cuando se aplica un esfuerzo. La segunda variable hace referencia a la Impedancia Acústica Z (se trata de una relación causa - efecto) y, en Ensayos No Destructivos, posibles grietas, discontinuidades o inclusiones son detectadas estableciéndose una relación entre éstas y la impedancia acústica Z ya que cuando se produce un cambio de un medio a otro se produce refracciones y reflexiones de las ondas sonoras y, por tanto, varía la impedancia acústica. Una conclusión añadida a lo explicado en el párrafo anterior es que las ondas sonoras son incapaces de propagarse a través del un medio vacío pues la existencia de partículas es esencial para que exista vibración y la consiguiente propagación de la onda sonora. Ondas transversales Ondas longitudinales Figura 2.2 Vibración transversal y longitudinal y ondas en una barra. La capacidad de un sólido para vibrar bajo la acción de una fuerza aplicada sobre sí mismo, viene caracterizada por la Impedancia Acústica Z.
  114. 114. Fundamentos de Ensayos No Destructivos Tema 2 - Inspección por Ultrasonidos Jaime Martínez Verdú 3 2.1.3. El espectro acústico. Como hemos definido anteriormente, las ondas ultrasónicas son ondas de idéntica naturaleza (mecánica o elástica) que las ondas sónicas se diferencian de ellas en que operan a una frecuencia por encima de la audible. En la figura 2.3 se representa el espectro acústico en el que cabe distinguir las tres bandas siguientes: Infrasónica: Se extiende por debajo de los 20 Hz y no tiene aplicaciones en control de materiales estructurales. Sónica: Es el rango de frecuencias en el cual el oído humano es capaz de percibir sonido. Varía de unas personas a otras pero, en general, se considera que abarca desde 20 Hz para los sonidos más graves hasta 20 kHz para los más agudos. La capacidad de percibir un sonido no depende sólo de la frecuencia sino también de la intensidad o presión acústica. De ahí la limitación por abajo, cuando es insuficiente para excitar el tímpano, y por arriba cuando la elevada presión llega a producir daños irreversibles en el aparato auditivo. Ultrasónica: Se extiende por encima de la frecuencia de 20 kHz. Dentro de esta banda se pueden diferenciar, a su vez, tres zonas diferentes. Los Ensayos No Destructivos se llevan a cabo empleando ondas ultrasónicas, esto es, ondas sonoras de alta frecuencia por encima del rango audible (por encima de los 20 kHz). A las ondas sonoras con frecuencias por encima de los 20 kHz son denominadas ultrasonidos u ondas ultrasónicas. • La del ultrasonido próximo, entre frecuencias entre 20 y 100 kHz, que es la zona en que operan las técnicas que utilizan elevados niveles de energía. Los sistemas de limpieza, agitación y, en general, cavitación trabajan en esta banda. • La banda utilizada en control de calidad de los materiales, que se extiende entre 0,2 y 25 MHz, aunque la gran mayoría de los ensayos se hacen entre 2 y 5 Mhz. • Las frecuencias por encima de 100 MHz se consideran dentro del campo de la microscopía acústica, técnica en la que se llegan a aplicar frecuencias de hasta 1 GHz. El sonido viaja a diferentes velocidades a través de cualquier medio (es decir, a través de cualquier medio siempre y cuando haya átomos o moléculas capaces de vibrar) puesto que la velocidad está íntimamente ligada a las características mecánicas del medio; por otro lado, tenemos que el sonido varía poco con la frecuencia en la mayoría de metales. Las longitudes de onda, frecuencias y velocidades de onda usadas normalmente en los END son las siguientes: Longitudes de onda: Desde 1 mm hasta 10 mm. Frecuencias: Desde 100 Hz hasta 15 MHz (muchas aplicaciones usan 10 MHz). Velocidades acústicas: Desde 1.000 m/s hasta 10.000 m/s.
  115. 115. Fundamentos de Ensayos No Destructivos Tema 2 - Inspección por Ultrasonidos Jaime Martínez Verdú 4 Figura 2.3. Espectro acústico donde las abscisas son frecuencias y las ordenadas longitudes de onda. 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 1 10 100 1kHz 10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz Área de audición normal Ultrasonidos de alta potencia Ensayos No Destructivos
  116. 116. Fundamentos de Ensayos No Destructivos Tema 2 - Inspección por Ultrasonidos Jaime Martínez Verdú 5 2.2. Características principales de los ultrasonidos. Aplicaciones de los ultrasonidos. Por los fenómenos que provocan en su propagación a través de sólidos, líquidos y gases han dado lugar a la aparición de numerosas aplicaciones técnicas y científicas. Para dar una idea de esta gran diversidad de aplicaciones de los ultrasonidos, relacionamos a continuación algunas de ellas: • Detección de heterogeneidades: Poros, grietas, fracturas, defectos en soldaduras. • Medida de espesores. Control de corrosión en paredes de tuberías y en contenedores sometidos a procesos químicos con cambios de espesor en sus paredes. • Determinación de propiedades físicas y estructurales de los materiales. Los ultrasonidos son utilizados para determinar diferentes tratamientos térmicos, granularidad, módulos de elasticidad (Módulo de Young). Ventajas e inconvenientes de los ultrasonidos. Ventajas. Si comparamos con otras tÀ_tracin

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