Año 15 • Número 59 • Julio de 2002


MANUFACTURA

El ensayo de ultrasonido para el control pieza-por-pieza de la calidad del producto

Jorge A. Cortés R.



Las pruebas de caracterización de materiales destructivas y no destructivas generalmente son utilizadas para calificar el material sobre la base de estándares predefinidos por diseño o de especificaciones particulares de calidad. Las pruebas destructivas se distinguen por un muestreo y el sacrificio del producto para valorar el nivel de calidad del proceso desarrollado en él. Así, se infiere que si los resultados son exitosos, el resto de la producción, mientras no se cambie nada, está igual de bien o, en su defecto, igual de mal. Por lo tanto, se deja el control del proceso a las técnicas estadísticas y con un retardo en la orden de corrección. La variabilidad del proceso en estas condiciones se considera muy baja. Por otro lado, las pruebas no destructivas se distinguen por calificar el sistema sin destruirlo y aun así, en la mayoría de los casos el ensayo se hace sobre una muestra representativa, para validar la producción. Para un ensayo no destructivo, pieza-por-pieza, deberá existir una justificación basada en tres factores: el desempeño del producto, la importancia de su desempeño y las responsabilidades de la empresa por el desempeño del producto.

En contraste, en algunas empresas manufactureras, que dicho sea de paso, por falta de programas de capacitación, todavía les falta conocer la relación entre las características de la materia prima y su impacto en las propiedades del producto durante el proceso o, peor aún, como producto terminado. Esto obviamente nos lleva a confiar en el sistema de calidad del proveedor, o bien, deslindarlo de su responsabilidad y hacer grandes esfuerzos para amortiguar de la mejor manera los problemas y responder dentro de los estándares de calidad.

Cada vez hay más empresas nacionales que controlan minuciosamente su producto desde su materia prima. Lo anterior lleva a la creación de procedimientos y estándares internos gradualmente más completos. Sobre todo, ha promovido el uso de técnicas, procedimientos e, inclusive, certificación de la inspección y que aun así, dependan de un muestreo, como es el caso de la soldadura para uniones metálicas. Con esto, se observa claramente la diferencia entre el concepto de inspección y el ensayo en el producto.

En este texto se particulariza en un ensayo no destructivo, con base en el ultrasonido como método de inspección pieza-por-pieza y en donde se tendrá que adaptar a las necesidades de accesibilidad de tiempo y de variedad de defectos, dentro de velocidades de producción. Estos requisitos constituyen un reto que requiere un avance tecnológico y cultural sistemático.

En especial, se enfocan aspectos de este método útiles para vencer problemas de accesibilidad para la medición. Para explicitar el concepto de accesibilidad, se usará un ejemplo de otro contexto. Si un submarino tiene el objetivo de monitorear por ultrasonido en todo momento la distancia del suelo marino a la que se encuentra y un banco de peces se interpusiera a la señal del sonar, el suelo marino quedaría inaccesible (en línea directa), por lo que se discutiría la forma de medir la distancia. Para cubrir un objetivo de este tipo es necesario repasar algunos puntos claves de teoría y posteriormente integrarlos.

El sonido generado por encima del nivel audible humano, que es típicamente de 20 kHz, es llamado ultrasonido. Sin embargo, el nivel de frecuencia normalmente usado en pruebas no destructivas ultrasónicas y medición de espesores es de 50 a 100 kHz. Aunque el ultrasonido se comporta de manera similar al sonido audible, éste tiene una longitud de onda mucho más corta. Esto significa que el ultrasonido puede ser reflejado por superficies muy pequeñas tales como defectos en el interior de ciertos materiales. Esta propiedad es la que permite que el ultrasonido sea usado para pruebas no destructivas en materiales.

El espectro acústico divide el sonido en tres niveles de frecuencia; subsónico (0-20 Hz), audible (20 Hz-20 kHz) y el ultrasónico (20 kHz- 1GHz). El nivel ultrasónico es posteriormente dividido en tres sub-secciones; el de baja frecuencia, el convencional y el de alta frecuencia. La velocidad del ultrasonido en un material perfectamente elástico a una temperatura y presión dadas, es constante. Los métodos más comunes de examinación ultrasónica utilizan tanto ondas longitudinales como ondas transversales. También existen otras formas de propagación del sonido, entre ellas las ondas superficiales y las llamadas ondas de Lamb. La onda longitudinal es una onda de compresión en donde el movimiento de las partículas se da en la misma dirección que la propagación de la onda. La onda transversal es una onda en donde el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación. Adicional a estos tipos, existen las ondas de superficie (Rayleigh) las cuales viajan a través de superficies planas o curveadas de partes sólidas gruesas. Estas muestran un movimiento longitudinal y transversal, donde cada molécula ejecuta una elipse conforme la onda pasa. La longitud de onda de estas ondas es muy corta comparada al espesor del material por el cual ésta viaja. Las ondas de superficie viajan a una velocidad aproximada del 90 a 95 % de la velocidad de una onda transversal, en el mismo material. Solamente fracturas o defectos en la superficie o muy cerca de ella pueden ser detectados.

La habilidad de un sistema ultrasónico para detectar defectos a una profundidad dada en un material de prueba está de acuerdo con la sensibilidad del material. Entre más grande sea la señal producida por los defectos, se dice que el sistema ultrasónico es más sensible. Por otro lado, la resolución axial es la habilidad de un sistema ultrasónico de producir señales simultáneas producidas por distintos defectos, que se encuentran cercanos entre sí, dentro del espacio del haz ultrasónico. Así, la habilidad de un sistema ultrasónico de detectar discontinuidades localizadas cerca de la superficie de la pieza de prueba se denomina resolución de superficie. En el Cuadro 1 se encuentra una relación de la aplicabilidad del tipo de ondas ultrasónicas.

Cuadro 1. Caracteristicas y aplicación de las ondas

La oposición que presentan sus partículas a ser desplazadas por el sonido es la impedancia acústica de un material. El límite entre dos materiales de diferentes impedancias acústicas es llamado interfase acústica. Cuando el sonido llega a una interfase acústica con una incidencia normal, una cantidad de energía es reflejada y otra cantidad es transmitida a través de la interfase. El ultrasonido es atenuado a medida que pasa a través de un material, asumiendo que no existen reflexiones provenientes de discontinuidades. Existen tres causas de atenuación: difracción, dispersión y absorción. La cantidad de atenuación dentro de un material puede jugar un papel muy importante en la selección de un transductor en una determinada aplicación.

La medición sónica en sistemas en donde un transductor y un medio convencional tienen poca accesibilidad hace combinar cada propiedad del sonido hasta ajustar las condiciones y medios apropiados. En condiciones donde el transductor tiene difícil acceso, puede utilizar una extensión de señal cuyo medio de transmisión no se vea disminuido fuertemente, en particular el medio líquido; según se observa en el Cuadro 2, tiene un valor significativo de impedancia. Así, el problema estriba en diseñar el equipo de transmisión y posicionamiento del sistema. Otro punto de interés es la transmisión en el punto de contacto con la superficie del material por examinar. Aquí funciona un acoplamiento plástico de lo más delgado y homogéneo posible, para ser fiel al relieve y con la suficiente presión para eliminar ruido por aire o espacio sin medio transmisor.

Cuadro 2. Popiedades Acústicas de diferentes materiales

El ultrasonido es una excelente herramienta de control de calidad que puede ser explotada aun más con mayor beneficio para caracterizar uniones o discontinuidades en materiales. Se recomienda tener en cuenta los siguientes puntos: El aire, al tener una muy baja impedancia, es atenuador fuerte de las ondas de ultrasonido a altas frecuencias, y hay una gran diferencia con respecto a los metales. Es por eso que se tiene que transmitir la señal sónica a través de un medio de contacto. Este medio incluye agua, aceites, glicerina, pegamentos o algunos cauchos. Es importante así tomar en cuenta el terminado de la superficie de la muestra, la temperatura de la muestra, posibilidad de reacciones químicas entre la superficie y la unión y, finalmente, los requerimientos de limpieza.

 


Jorge Armando Cortés Ramírez obtuvo el doctorado en Ingeniería con especialidad en Metalurgia Mecánica de la Universidad de Hiroshima, Japón. Es profesor investigador del Centro de Sistemas Integrados de Manufactura.


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