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Jul 16, 2023

Pruebas ultrasónicas de compuestos de fibra de vidrio y fibra de carbono

A medida que ha aumentado el uso de compuestos de fibra de vidrio y fibra de carbono en la fabricación, también ha aumentado la necesidad de realizar pruebas no destructivas confiables, tanto en la etapa de fabricación inicial como durante el servicio.

A medida que ha aumentado el uso de compuestos de fibra de vidrio y fibra de carbono en la fabricación, también ha aumentado la necesidad de realizar pruebas no destructivas confiables, tanto en la etapa de fabricación inicial como durante el servicio. La fibra de vidrio tradicional se utiliza comúnmente en tanques, tuberías, cascos de embarcaciones, palas de energía eólica, paneles estructurales y productos similares. El plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) se ha vuelto cada vez más importante en la industria aeroespacial a medida que un número cada vez mayor de diseños de aviones militares y civiles se basan en las propiedades de peso ligero y alta resistencia de los compuestos avanzados. Debido a su estructura laminar, estos materiales están potencialmente sujetos a grietas paralelas a la superficie, ya sea debido a tensiones aplicadas o debilidades resultantes de anomalías de fabricación. Estas grietas internas ocultas pueden tener un impacto significativo en la integridad estructural y normalmente no son detectables mediante radiografía o técnicas de END distintas de los ultrasonidos. Afortunadamente, las pruebas ultrasónicas proporcionan una técnica lista y bien establecida para localizar y documentar fallas internas.

La detección de defectos por ultrasonidos y la medición de espesores se basan en un principio simple de física ondulatoria. Una onda sonora de alta frecuencia generada por una pequeña sonda llamada transductor y acoplada a un medio sólido como fibra de vidrio o compuestos viajará en línea recta perpendicular a la superficie hasta que encuentre un límite material, como una pared lejana, otro material. interfaz o una laminación. En ese punto, la onda sonora se reflejará de forma predecible. Los medidores de espesor miden el tiempo de tránsito de ida y vuelta del pulso de sonido y luego usan la velocidad programada del sonido en el material de prueba para calcular el espesor. La detección de defectos por ultrasonidos analiza los ecos mediante un proceso comparativo en el que se compara el patrón de eco generado por una buena pieza con el patrón de eco de una pieza de prueba. Dado que las ondas sonoras se reflejarán en los huecos o grietas, los cambios en el patrón del eco indican cambios en la estructura interna de una pieza. Al probar fibra de vidrio y compuestos, el instrumento normalmente busca la presencia de ecos dentro de una puerta o ventana marcada que representa el interior de la pieza de prueba. Si bien la naturaleza no homogénea de la fibra de vidrio y los compuestos puede generar reflejos de ruido dispersos incluso en materiales sólidos, las grietas cuyo área se aproxima al diámetro del haz de sonido generalmente devuelven fuertes indicaciones localizadas que serán reconocidas por un operador capacitado.

La frecuencia de la prueba y el tamaño de la sonda se seleccionan en función del material que se inspecciona y de los parámetros de defectos críticos. En general, se requieren frecuencias más altas y diámetros de haz más pequeños para la resolución de defectos más pequeños. Las sondas de baja frecuencia se utilizan para penetrar más profundamente en los materiales y compensar la dispersión y atenuación del sonido en materiales con menor densidad o estructuras no homogéneas. La selección de la sonda y la configuración del instrumento siempre deben optimizarse para el trabajo en cuestión.

Piezas y estructuras de fibra de vidrio.

La fibra de vidrio se prueba más comúnmente con medidores de espesor ultrasónicos tradicionales y detectores de fallas que utilizan transductores de un solo elemento de baja frecuencia, comúnmente a frecuencias de 2,25 MHz e inferiores, generalmente tan bajas como 0,5 MHz cuando los espesores exceden aproximadamente 0,5 pulgadas o 12,5 mm. Los transductores de baja frecuencia especializados que utilizan técnicas de líneas de retardo de adaptación de impedancia pueden optimizar tanto la penetración como la resolución cercana a la superficie. Los medidores de espesor diseñados para proporcionar una lectura directa del espesor total del material son fáciles de usar y requieren pocos ajustes por parte del operador después de la configuración inicial. Los detectores de fallas convencionales muestran un patrón de reflexiones de sonido denominado A-scan, que cambiará a medida que cambien las condiciones del material y que es interpretado por un operador capacitado para identificar anomalías. Las mediciones de espesor ultrasónicas son particularmente útiles con capas de mantas/mechas de fibra de vidrio donde las variaciones en el espesor de la capa hacen necesario verificar periódicamente el espesor durante la fabricación, y la detección de grietas es de particular importancia en la industria de topografía marina para verificar posibles daños ocultos en el casco en vehículos más antiguos. barcos.

Compuestos de fibra de carbono

Así como los compuestos de fibra de carbono contemporáneos representan materiales avanzados para la fabricación, comúnmente se inspeccionan mediante instrumentos ultrasónicos avanzados que emplean tecnología de imágenes de matriz en fase. Si bien el tamaño, la forma y el grosor de las piezas de CFRP varían significativamente, la naturaleza de los defectos que ocurren comúnmente es ideal para la inspección ultrasónica de eco de pulso de onda de compresión. Los defectos laminares causados ​​por una colocación inadecuada de materiales o daños por impacto, caídas involuntarias de capas y estructuras incrustadas ocurren en gran medida en un plano normal a la superficie, lo que representa una geometría óptima para la reflexión del sonido.

Los instrumentos industriales de matriz en fase son similares en concepto y funcionamiento a los escáneres de ultrasonido para diagnóstico médico, pero con sondas y software optimizados para materiales de ingeniería en lugar de tejido humano. Los instrumentos de matriz en fase utilizan sondas de elementos múltiples en las que los elementos se pulsan individualmente de acuerdo con una secuencia programada, creando la capacidad de dirigir haces y barrerlos a través de un área de interés. La dirección del haz permite que un transductor de matriz única genere una imagen a través de una secuencia de ángulos (llamado escaneo sectorial) o produzca una imagen desde un ángulo fijo que viaja a lo largo de una sonda (llamado escaneo lineal). Además, los parámetros del haz como la apertura (tamaño del grupo de elementos) y la distancia focal se pueden controlar para proporcionar configuraciones flexibles y resultados superiores con una sola sonda. Las sondas de matriz en fase de matriz lineal típicas para inspección de CFRP con un espesor de 0,125 pulgadas a una pulgada (3 mm a 25 mm) funcionan a 3,5 o 5 MHz con un total de 24 a 128 elementos individuales.

Las amplitudes de señal de una región seleccionada de la pieza de prueba se trazan como niveles de color asociados y en función de la posición, creando una imagen plana denominada C-scan. Este C-scan muestra áreas libres de defectos representadas por colores de escala inferior correspondientes a reflejos de señal mínimos, mientras que los reflejos de señal más altos de los defectos se trazan en colores que se acercan al máximo en la escala de colores. El tamaño del defecto se puede realizar en estos datos de imagen. En muchos casos, la imagen de escaneo C será producida por una sonda codificada mecánicamente que rastrea el movimiento de la sonda en dirección hacia adelante mientras el haz de sonido escanea lateralmente, creando datos en un gráfico xy. Esta combinación de escaneo electrónico y mecánico a menudo se denomina escaneo de una línea. Este sencillo método de escaneo es rápido, totalmente portátil y fácil de implementar con los instrumentos de matriz en fase portátiles actuales. El espacio que ocupan la sonda y el codificador es bastante pequeño, por lo que se puede utilizar este método para acumular muestras de datos de una variedad de formas de piezas.

Al inspeccionar paneles CFRP grandes, planos o casi planos, se puede utilizar un escáner mecánico de dos ejes. Algunos instrumentos avanzados combinarán automáticamente escaneos lineales cuya posición está codificada en dos ejes, lo que aumenta drásticamente la velocidad de inspección en comparación con el escaneo C convencional de un solo elemento. Los diseños de los escáneres son livianos, resistentes al agua y tienen opciones de montaje para permitir el funcionamiento horizontal, vertical o invertido. Con el almacenamiento completo de los datos de inspección, los resultados de las pruebas se pueden revisar y analizar después de la inspección.

La inspección de piezas redondeadas utilizando UT convencional puede ser un desafío debido a problemas de acoplamiento, pero una matriz curva lineal permite que el haz acústico se mueva alrededor de un radio ID o OD mientras se mantiene la normalidad en el radio de la pieza, lo que produce una visualización de la sección transversal en vivo. La elección del palpador adecuado depende de la geometría de la pieza. Los principales factores que deben considerarse son el tipo de inspección (ID u OD), el radio de la esquina y el ángulo de la esquina. Una vez acotada la elección de sondas, se debe tener en cuenta el espesor de la pieza así como la huella de la sonda y la cuña para garantizar el acceso a las zonas restringidas que puedan existir. Hay sondas disponibles para adaptarse a una variedad de radios. Se requiere una fijación adecuada para permitir y mantener la alineación durante el escaneo.

Conclusión

El desarrollo continuo de la tecnología ultrasónica portátil ha dado lugar a herramientas que ofrecen nuevos niveles de confiabilidad, eficiencia y documentación en pruebas no destructivas de fibra de vidrio y compuestos. Al igual que en otras áreas de los END digitales modernos, es probable que esta evolución continúe.

Tom Nelligan es ingeniero senior de aplicaciones que respalda las líneas de productos de detectores de fallas y medidores de espesor ultrasónicos de Olympus Scientific Solutions America (Waltham, MA). Ha estado trabajando en el campo de las pruebas ultrasónicas desde 1978. Para obtener más información, llame al (781) 419-3900, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.olympus-ims.com.

Daniel Kass es un especialista en tecnología de Olympus SSA en Waltham, MA, con más de 25 años de experiencia en el campo de las pruebas no destructivas con especialización en modalidades ultrasónicas, de corrientes parásitas y de matriz en fase. Es autor y coautor de múltiples artículos y presentaciones en conferencias sobre pruebas no destructivas y es coinventor de múltiples patentes. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected]