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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

GENERACION DE UN SISTEMA PARA LA DETECCION DE FRACTURAS EN MATERIALES 1

GENERACION DE UN SISTEMA PARA LA DETECCION DE FRACTURAS EN

MATERIALES. CLAVE CGPI: 20061590

1.- RESUMEN El proyecto realizado, consistió en establecer un sistema el cual permita detectar las fracturas existentes en diversos tipos de materiales y en especial de materiales metálicos, aprovechando la infraestructura existente en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco. Para tal efecto se determino la principal aplicación que pretendía dársele a este sistema, tomando en consideración las líneas de investigación que estaban realizándose en esta escuela. Se observo que este sistema podría complementar dos líneas existentes y de amplia línea de acción, las cuales son los análisis experimentales de esfuerzos y la línea de biomecánica, por lo que se determinaron todos los antecedentes necesarios para tener una idea de cada una de estas líneas. Se conoció el equipo existente para cada una de estas líneas y en especial las características de un equipo de análisis de vibraciones que recientemente se adquirió, el cual cuenta con una tarjeta que permite recolectar la información requerida y mediante un paquete computacional realizar la detección de las fracturas en los materiales. Se compraron diversos tipos de traductores, sus adaptadores y el gel necesarios para realizar un ensayo por ultrasonido. Se realizaron pruebas en diversos materiales que se utilizan en las líneas de investigación antes mencionadas, como es el acero inoxidable. Se siguen realizando pruebas con el fin de establecer un procedimiento a seguir para realizar ensayos de ultrasonido de una forma adecuada y que sirva para complementar las investigaciones que en el campo de la mecánica se están realizando en esta escuela.




2.- INTRODUCCION: Para poder realizar un análisis adecuado de cada uno de los puntos que se marcaron en el desarrollo del proyecto es necesario tener los antecedentes necesarios. Por lo tanto se indican a continuación los que es el análisis experimental de esfuerzos, lo que es la biomecánica, lo que son los ensayos de ultrasonido y las propiedades de algunos materiales que se estarán analizando. 2.1 ANALISIS EXPERIMENTAL DE ESFUERZOS. Existen varios métodos para hacer estos análisis, los cuales se clasifican de la siguiente manera:

1. Polariscopio 2. Vibraciones 3. Extensometria 4. Método del elemento finito 5. Fotoelasticidad

Actualmente, el método mas utilizado, es el método del elemento finito, porque los programas basados en este método, están diseñados para realizar cálculos y análisis de forma rápida, concreta, segura y sin tener que hacer pruebas destructivas o algo similar, la simulación esta tan real y precisa, que los errores que se generan son mínimos, contándose con la ventaja que los resultados obtenidos se obtienen de forma gráfica. Este tipo de método, es el más acorde con los avances que hemos tenido en la tecnología, pues se utiliza de manera efectiva herramientas tan importantes hoy en día como son la computadora. 2.2 BIOMECANICA La biomecánica o cinesiología mecánica es la ciencia que estudia las fuerzas internas y externas que afectan el movimiento humano o de los implementos deportivos, desde el punto de vista de las ciencias físicas. El primer trabajo del que al respecto se tiene conocimiento, en el que específicamente se aborda el tema del ser humano y su comportamiento, en relación con el m ovim iento fue realizado por Leonardo D a V inci, en sus “N otas sobre el




cuerpo H um ano”; describió y registró inform ación sobre la m ecánica del cuerpo en posición vertical, en marcha, en ascenso y descenso. Posteriormente, un segundo trabajo realizado durante el renacimiento fue escrito por Galileo y Newton en el que establecieron las bases teóricas y experimentales para el análisis del movimiento. Uno de los alumnos de Galileo, Borelli, combinó ciencias como las matemáticas, la física y la anatomía en el primer tratado concerniente a comportamiento biomecánico “D eM otu A nim alium ”, trató de dem ostrar, que los anim ales son m áquinas; así m ism o, sostuvo la teoría de que los huesos son palancas . Por su trabajo, Steinder lo reconoce como el padre de la moderna biomecánica del sistema locomotor; Singer le atribuye el haber fundado y desarrollado con eficacia la rama de la fisiología que relaciona el movimiento muscular con los principios mecánicos. Los científicos del siglo XVIII, tales como Bernoulli, Euler, y en especial Coulomb, trataron de desarrollar una fórmula matemática para determinar la capacidad de trabajo máxima y la óptima del hombre como función de la fuerza, velocidad y duración de la actividad. Durante este periodo, Taylor inició sus análisis científicos para mejorar los métodos de trabajo en los hum anos. F . G ilbreth y L. G ilbreth en su libro “E studio y A plicación del M ovim iento” presentaron varios m étodos para analizar y m ejorar e l trabajo del cuerpo. Los conceptos de estos hombres fueron retomados y continuado por Barnes, Holmes y Porter respectivamente. A principios del siglo pasado (XIX), una revisión exhaustiva de éstos estudios fue dada a conocer en 1914 por el francés Jules Amar en su libro “E l m otor hum ano”; inspirado principalm ente en el aum ento de la productividad laboral, lograda por la aplicación a la industria de los principios científicos de la mecánica corporal enunciados por Taylor Jules Amar trató de reunir en un solo volumen todos los elementos físicos y fisiológicos del trabajo industrial; de ésta misma escuela se realizaron investigaciones relacionadas con la locomoción humana y animal tanto en aves como insectos en la segunda mitad del siglo XIX. Durante este mismo periodo Fisher, mejoró las técnicas para el análisis del movimiento en sus artículos sobre biomecánica y en libros que cubren la teoría básica de la mecánica en el cuerpo viviente y la cinemática de los mecanismos orgánicos. Otra fuente de información en biomecánica durante este periodo son los tres volúm enes de F ick titulados, “M anual de A natom ía y M ecánica de las A rticulaciones”, y los cuatro volúm enes de “Libro de texto, los m úsculos y la m ecánica articular” escritos por S trasser.




La contribución rusa a la biomecánica tuvo su inicio en 1922, bajo la dirección de Bernshtein. Para 1950, Bernshtein y sus discípulos (Popova, Spielberg y Sorokin) habían publicado varios artículos y libros científicos relativos al movimiento en el deporte. En 1926 Bernshtein publicó la primera parte del excelente tratado “B iom ecánica G eneral”. En general, a raíz de las dos guerras Mundiales se despertó un gran entusiasmo en ésta área. En el transcurso de la Primera Guerra Mundial y un poco después, los estudios destinados a mejorar las prótesis fueron llevados a cabo en Francia por Amar y en Alemania por Schlesinger. Posterior a la segunda guerra mundial, se desarrollaron estudios similares en los Estados Unidos por Eberhart e Inman en California, así como Fisher en Nueva York. Los trabajos de Wolff, Roux, Pauwels y otros autores en Europa durante el mismo periodo, sembraron las semillas de trabajos más interesantes para la Biomecánica hasta nuestros días, es decir, los trabajos de estos autores son considerados como los fundadores de la biomecánica moderna, y sentaron las bases para su desarrollo. Los metales que son compatibles y viables para la fabricación de las prótesis se pueden dividir en la aleaciones basadas en hierro, en titanio y en cobalto. Las características de los metales han sido normalizadas por los fabricantes de dispositivos, los científicos especialistas en materiales, los cirujanos ortopédicos en la American Society for Testing of Metals (ASTM) y la International Standars Organization. Los metales empleados para implantes tienen distinta biocompatibilidad, desgaste, tasas de corrosión y características de resistencia. Las aleaciones utilizadas en los componentes articulares totales son las siguientes: acero inoxidable, titanio-aluminio-vanadio, cobalto-cromo-tungsteno-níquel forjado y cobalto-níquel-cromo-molibdeno. 2.2 ULTRASONIDO 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;

- SUBSONICO (0-20 Hz)

- AUDIBLE (20 Hz-20 kHz) y

- El ULTRASONIDO (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.




CARACTERISTICAS Y APLICACIONES DE LAS ONDAS

TABLA 1

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.

2.3 PRUEBAS DE ULTRASONIDO INDUSTRIAL Los Ensayos No Destructivos, (END) o pruebas no destructivas (PND) (NDT en ingles), son un campo de la ingeniería que se desarrolla rápidamente. Las técnicas como la digitalización de imágenes, la radiografía por neutrones, el electromagnetismo o la emisión acústica, que eran relativamente desconocidas hasta hace pocos años, se han convertido en herramientas de uso cotidiano en las




industrias que desean mantenerse en la vanguardia del mercado ofreciendo calidad en sus productos. Las pruebas no destructivas (PND) son la aplicación de métodos físicos indirectos, como es la transmisión del sonido, la opacidad al paso de la radiación, etc., y que tienen la finalidad de verificar la sanidad de las piezas examinadas. No obstante, cuando se aplica este tipo de pruebas no se busca determinar las propiedades físicas inherentes de las piezas, sino verificar su homogeneidad y continuidad. Por lo tanto, estas pruebas no sustituyen a los ensayos destructivos, sino que más bien los complementa. El análisis por Ultrasonido Industrial (UT) se define como un procedimiento de inspección no destructiva de tipo mecánico, que se basa en la impedancia acústica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad máxima de propagación del sonido entre la densidad de un material. La historia del Ultrasonido Industrial como disciplina científica pertenece al siglo XX. En 1924, El Dr. Sokolov desarrolló las primeras técnicas de inspección empleando ondas ultrasónicas. Los experimentos iniciales se basaron en la medición de la pérdida de la intensidad de la energía acústica al viajar en un material. Para tal procedimiento se requería del empleo de un emisor y un receptor de la onda ultrasónica. Posteriormente, durante la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros alemanes y soviéticos se dedicaron a desarrollar equipos de inspección ultrasónica para aplicaciones militares. En ese entonces la técnica seguía empleando un emisor y un receptor (técnica de transparencia) en la realización de los ensayos. No fue sino hasta la década de 1940 cuando el Dr. Floyd Firestone logró desarrollar el primer equipo que empleaba un mismo palpador como emisor y receptor, basando su técnica de inspección en la propiedad característica del sonido para reflejarse al alcanzar una interfase acústica. Es así como nace la inspección de pulso eco; esta nueva opción permitió al ultrasonido competir en muchas ocasiones superar las limitaciones técnicas de la radiografía, ya que se podían inspeccionar piezas de gran espesor o de configuraciones que sólo permitían el acceso por un lado. El perfeccionamiento del instrumento de inspección por ultrasonido se debe principalmente a los investigadores alemanes Josef y Herbert Krautkramer, quienes desde 1948 se han dedicado a desarrollar y mejorar el equipo de inspección ultrasónica.




Los equipos de ultrasonido que empleamos actualmente permiten detectar discontinuidades superficiales, subsuperficiales e internas, dependiendo del tipo de palpador utilizado y de las frecuencias que se seleccionen dentro de un ámbito de 0.25 hasta 25 MHz. Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o un cerámico piezoeléctrico dentro del palpador; este elemento, que llamaremos transductor, tiene la propiedad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente, y por el efecto piezoeléctrico, el transductor vibra a altas frecuencias (lo que genera ultrasonido); estas vibraciones son transmitidas al material que se desea inspeccionar. Durante el trayecto en el material, la intensidad de la energía sónica sufre una atenuación, que es proporcional a la distancia del recorrido. Cuando el haz sónico alcanza la frontera del material, dicho haz es reflejado. Los ecos o reflexiones del sonido son recibidos por otro (o por el mismo) elemento piezoeléctrico y su señal es filtrada e incrementada para ser enviada a un osciloscopio de rayos catódicos, en donde la trayectoria del haz es indicada por las señales de la pantalla; también puede ser transmitida a un sistema de graficado, donde se obtiene un perfil acústico de la pieza a una pantalla digital, donde se leerá un valor o a una computadora, para el análisis matemático de la información lograda. En muchos aspectos la onda de ultrasonido es similar a las ondas de luz; ambas son ondas y obedecen a una ecuación general de onda. 2.3.1 REQUISITOS Y SECUENCIA DE LA INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO INDUSTRIAL. Antes de iniciar una inspección por UT, es necesario definir los siguientes parámetros, a fin de hacer una correcta selección del equipo de trabajo:

Cuál es el tipo de discontinuidad que puede encontrarse. Qué extensión y orientación puede tener en la pieza. Qué tolerancias se pueden aplicar para aceptar o rechazar la indicación.

En la inspección de soldaduras se utiliza generalmente el método de pulso-eco en la presentación SCAN-A. Este sistema (SCAN-A) utiliza un tubo de rayos catódicos que muestra la información del ensayo. Todas las normas exigen que el instrumento de inspección ultrasónica sea revisado y, en caso necesario, recalibrado por un taller de servicio autorizado por el fabricante.




Este último punto es de vital importancia si se está trabajando bajo códigos o normas de aceptación internacional como AWS o ANSI/ASME. Con base en lo anterior, antes de adquirir un equipo, es recomendable visitar al proveedor y comprobar que cuenta con la licencia por parte del fabricante para dar el servicio de mantenimiento preventivo y correctivo al equipo. A continuación se deben seleccionar el palpador y el cable coaxial a ser empleados: Los cables son del tipo coaxial para prevenir problemas de interferencia eléctrica y sus conexiones deben ser compatibles con las del instrumento y el palpador a emplear. Los factores a ser tomados en cuenta para la selección de un palpador son: Número de cristales piezoeléctricos. El tipo de inspección (contacto, inmersión, alta temperatura). El diámetro del elemento piezoeléctrico. La frecuencia de emisión. En su caso, el ángulo de refracción. El tipo de banda. El tipo de protección de antidesgaste.

Por lo común, las normas establecen las condiciones mínimas que deben cumplir los palpadores. En la inspección por ultrasonido se utiliza por lo general ondas longitudinales (haz recto) u ondas transversales (haz angular). Las frecuencias más comúnmente utilizadas son de 1 a 5 Mhz con haces de sonido o ángulos de 0º, 45º, 60º y 70º. En la inspección con haz recto; el sonido transmitido perpendicularmente a la superficie de entrada del sonido. Utilizando un block de referencia el cual cuenta con una discontinuidad artificial o natural de tamaño conocido, es posible calibrar el equipo y así calcular aproximadamente el tamaño de las discontinuidades detectadas. En la mayoría de las inspecciones de soldaduras, que se efectúan utilizando la técnica de haz angular, Idealmente solamente aparecerán en el TRC señales originadas por discontinuidades durante la inspección. Es frecuente su empleo para la medición de espesores, detección de zonas de corrosión, detección de defectos en piezas que han sido fundidas forjadas, roladas o soldadas; en las aplicaciones de nuevos materiales como son los metal cerámicos y los materiales compuestos, ha tenido una gran aceptación, por lo sencillo y fácil de




aplicar como método de inspección para el control de calidad. Las nuevas tendencias indican que su campo de aplicación se mejorará con el apoyo de las computadoras para el análisis inmediato de la información obtenida. 2.3.2 VENTAJAS DEL ULTRASONIDO INDUSTRIAL. Se detectan discontinuidades superficiales y subsuperficiales. Puede delinearse claramente el tamaño de la discontinuidad, su localización y

su orientación. Sólo se requiere acceso por un lado del material a inspeccionar. Tiene alta capacidad de penetración y los resultados de prueba son conocidos

inmediatamente. 2.3.3 LIMITACIONES DEL ULTRASONIDO INDUSTRIAL. Está limitado por la geometría, estructura interna, espesor y acabado

superficial de los materiales sujetos a inspección. Localiza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al haz de

sonido. Las partes pequeñas o delgadas son difíciles de inspeccionar por este

método. El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibilidad

y de sofisticación requerido. El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayor

entrenamiento y experiencia para este método que para cualquier otro de los métodos de inspección.

La interpretación de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento y experiencia de parte del operador.

Requiere de patrones de referencia y generalmente no proporciona un registro permanente.

Este método sigue normas como la AWS o ANSI/ASME.




3.- METODOS Y MATERIALES Para poder establecer el sistema de ultrasonido es importante establecer los métodos que se utilizaran para tal fin, así como los materiales que se utilizaran para realizar los ensayos, con el fin de poder llegar a resultados adecuados. Esto se indica a continuación. 3.1. PRUEBAS DE ULTRASONIDO El ultrasonido es una vibración mecánica con un rango mayor al audible por el oído humano que se transmite a través de un medio físico y es orientado, registrado y medido en Hertz con ayuda de un aparato creado para ese fin. Para la prueba de ultrasonido en materiales metálicos es de 0.2 a 25 MHz.

3.1.1 PRINCIPIOS

La impedancia acústica es la resistencia que oponen los materiales al paso de una onda ultrasónica.

Ondas acústicas iguales a las ondas sónicas.

Transmisión de energía entre partículas que propicia el oscilamiento.

El número de oscilaciones son de acuerdo al tipo de onda que se trata.

Se propagan en todos los medios elásticos donde exista fracciones de materia (átomos o moléculas capaces de vibrar).

La vibración depende de la separación de las partículas.

3.1.2 APLICACIONES

Detección y caracterización de discontinuidades.

Medición de espesores, extensión y grado de corrosión.

Determinación de caracteristicas físicas de los materiales.

Características de enlace entre materiales.




3.1.3 VENTAJAS

La prueba se efectúa mas rápidamente obteniendo resultados inmediatos.

Se tiene mayor exactitud al determinar la posición de las discontinuidades internas; estimando sus dimensiones, orientación y naturaleza.

Alta sensibilidad para detectar discontinuidades pequeñas.

Alta capacidad de penetración, lo que permite localizar discontinuidades a gran profundidad del material.

Buena resolución que permite diferenciar dos discontinuidades próximas entre si.

Solo requiere acceso por un lado del objeto a inspeccionar.

No requiere de condiciones especiales de seguridad.

3.1.4 LIMITACIONES

Baja velocidad de inspección cuando se emplean métodos manuales.

Requiere de personal con una buena preparación técnica y gran experiencia.

Dificultad para inspeccionar piezas con geometría compleja, espesores muy delgados o de configuración irregular.

Dificultad para detectar o evaluar discontinuidades cercanas a la superficie sobre la que se introduce el ultrasonido.

Requiere de patrones de calibración y referencia.

Es afectado por la estructura del material. (tamaño de grano, tipo de material).

Alto costo del equipo.

Se requiere de agente acoplante.

3.1.5 PRINCIPIOS FISICOS

Amplitud ( A ).- Es el desplazamiento máximo de una partícula desde una posición inicial.

Frecuencia ( F ).- Se define como el número de veces que ocurre un evento repetitivo ( ciclo ) por unidad de tiempo, su unida es el Hertz.




Longitud de onda ( ).- Es la distancia ocupada por una onda completa y es igual a la distancia a través de la cual se mueve la onda por periodo de ciclo.

Velocidad de propagación o velocidad acústica ( V ).- Es la velocidad de transmisión de la energía sonora a través de un medio.

Impedancia acústica ( Z ).- Es la resistencia de un material a las vibraciones de las ondas ultrasónicas. Es el producto de la velocidad máxima de vibración por la densidad del material.

3.1.6 TIPOS DE ONDAS

Ondas Longitudinales.- Sus desplazamientos de las partículas son paralelos de propagación del ultrasonido.

Ondas Transversales.- Los desplazamientos de las partículas es en forma perpendicular a la dirección del haz ultrasónico.

Ondas Superficiales.- Son aquellas que se desplazan sobre la superficie del material y penetran a una profundidad máxima de una longitud de onda

Los principales parámetros que deben ser controlados en un sistema ultrasónico son:

SENSIBILIDAD: Es la capacidad de un transductor para detectar discontinuidades pequeñas.

2

d

RESOLUCION: Es la capacidad para separar dos señales cercanas en tiempo o profundidad.

FRECUENCIA CENTRAL: Los transductores deben utilizar en su rango de frecuencia especificado para obtener una aplicación óptima.

ATENUACION DEL HAZ: Es la perdida de energía de una onda ultrasónica al desplazarse a través de un material. Las causas principales son la dispersión y la absorción.




3.2 TRANSDUCTORES

Es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica ( ondas sonoras ) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas.

Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales.

3.2.1 MATERIALES PIEZOELECTRICOS

A. Cuarzo. Se obtiene a partir de cristales naturales. Posee excelentes características estabilidad térmica, química y eléctrica. Es muy duro y resistente al desgaste así como al envejecimiento. Desafortunadamente, sufre interferencias en el modo de conversión y es el menos eficiente de los generadores de energía acústica. Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias. Se debe emplear a temperaturas menores de 550 °C, pues por arriba de ésta pierde sus propiedades piezoeléctricas.

B. Sulfato de litio. Este material se considera como uno de los receptores más eficientes. Su ventaja principal en su facilidad de obtener una amortiguación acústica optima lo que mejora el poder de resolución, no envejece y es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión. Sus desventajas son que es muy frágil, soluble en agua y se debe emplear a temperaturas menores de 75 °C.

C. Cerámicas polarizadas. Se obtienen por sinterización y se polarizan durante el proceso de fabricación. Se consideran como los generadores más eficientes de energía ultrasónica cuando operan a bajos voltajes de excitación. Prácticamente no son afectados por la humedad y algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 °C. Sus principales limitaciones son: resistencia mecánica relativamente baja, en algunos casos existe interferencia en el modo de conversión, presentan tendencia al envejecimiento. Además poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.




CARACTERISTICAS DE LOS MATERILES EMPLEADOS COMO TRANSDUCTORES EN LOS PALPADORES.

Material

Eficiencia como transmisor

Eficiencia como receptor

Sensibilidad Poder de resolución

Características mecánicas

Cuarzo Mala Mediana Escasa Optima Buena

Sulfato de litio

Mediana Buena Buena Optima Soluble en agua

Titanato de bario

Buena Mediana Optima Mediana Frágil

Metaniobato de bario

Buena Mediana Optima Optima Buena

Zirconato titanato de plomo

Buena Mediana Optima Mediana Buena

TABLA 2

3.2.2 CARACTERISTICAS A TOMAR EN CUENTA PARA LA ELECCION DEL TRANSDUCTOR.

a) Clase de cristal. Con la elección de cada clase de cristal se puede variar el poder resolutivo y la sensibilidad de los transductores.

b) Diámetro del cristal. Entre mayor sea el diámetro del cristal se obtiene una mayor profundidad de penetración, asimismo una mayor longitud en un campo cercano y una menor divergencia.

c) Frecuencia. Con la elección de una mayor frecuencia se obtiene mayor posibilidad para la identificación de discontinuidades pequeñas, mayor longitud de campo cercano, mayor poder resolutivo, menor profundidad de penetración y mínima divergencia.




DIVERSOS MATERIALES PIEZOELECTRICOS

MATERIAL VENTAJAS DESVENTAJAS

CUARZO Se obtiene a partir de cristales naturales.

Posee excelentes características estabilidad térmica, química y eléctrica.

Es muy duro y resistente al desgaste así como al envejecimiento.

Sufre interferencias en el modo de conversión

Es el menos eficiente de los generadores de energía acústica.

Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias.

Se debe emplear a temperaturas menores de 550 °C, pues por arriba de ésta pierde sus propiedades piezoeléctricas.

SULFATO

DE LITIO

Receptor más eficiente.

Facilidad de obtener una amortiguación acústica optima.

Mejor poder de resolución.

No envejece.

Es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión.

Es muy frágil Soluble en agua Se debe emplear a

temperaturas menores de 75 °C.

CERÁMICOS POLARIZADOS

Se obtienen por sinterización y se polarizan durante el proceso de fabricación.

Se consideran como los generadores más eficientes de energía ultrasónica cuando operan a bajos voltajes de excitación.

Resistencia mecánica relativamente baja,

En algunos casos existe interferencia en el modo de conversión.

Presentan tendencia al envejecimiento.

Además poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo.




Prácticamente no son afectados por la humedad

Algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 °C.

TITANATO

DE BARIO

Es un buen emisor debido a su elevado modulo piezoeléctrico.

Problemas de acoplamiento y amortiguación.

Su empleo esta limitado a frecuencias menores de 15 MHz, debido a su baja resistencia mecánica y alta impedancia acústica.

Presenta interacción entre varios modos de vibración.

La temperatura de su punto curie es de 115 – 150 ° C.

METANIOBATO DE BARIO

Presenta un modulo piezoeléctrico elevado lo que lo califica como buen emisor.

Posee excelente estabilidad térmica, similar al cuarzo, lo que le permite ser empleado a altas temperaturas.

Posee un elevado coeficiente de amortiguación interna, por lo que se considera como el mejor material para generar impulsos cortos.

Presenta una baja frecuencia fundamental y una mala resistencia mecánica, por lo que se aplica principalmente a frecuencias altas.

Presenta interacción entre varios modos de vibración.

ZIRCONATO TITANATO DE

PLOMO

Se considera como el mejor emisor por su alto modulo piezoeléctrico.

Sin embargo, es el mas difícil de amortiguar por su alto coeficiente de deformación. Se recomienda su empleo cuando existen problemas de penetración.

TABLA 3




3.2.3 TIPOS DE PALPADORES

PALPADORES DE CONTACTO: Se coloca directamente en la superficie de prueba aplicando presión y un medio de acoplamiento. Se fabrica para inspecciones de haz recto. Para proteger el transductor de la abrasión, se cubre con un material duro como el oxido de aluminio.

PALPADORES DE HAZ RECTO: Emite ondas longitudinales con frecuencias de 0.5 a 10 MHz. Se emplea generalmente para la inspección de piezas en las que se puede colocar directamente la unidad de prueba sobre el área de interés las discontinuidades son paralelas a la superficie de contacto. También es útil en la detección de discontinuidades y en la medición de espesores.

PALPADORES DE HAZ ANGULAR: Genera ondas de corte, de superficie y de placa. Se construye acoplando una unidad de haz recto a una de las caras de una zapata de plástico, al cual presenta determinado ángulo de refracción. Se emplea en los equipos de pulso eco y su aplicación es casi exclusiva en la detección de discontinuidades orientadas perpendicularmente a la superficie de prueba.

3.2.4 TIPOS DE PALPADORES ANGULARES

De acuerdo a su tamaño frecuencia, forma, tipo e intercambiabilidad de la zapata. Tienen marcado en la zapata el ángulo de refracción del sonido dentro del material de prueba, los ángulos comerciales para el acero son 35, 45, 60, 70, 80, 90 grados.

FIGURA 1




3.2.5 ACOPLANTES

Liquido más o menos viscoso que se utiliza para permitir el paso de las ondas del transductor a la pieza bajo examinación, ya que las frecuencias que se utilizan para materiales metálicos no se transmiten en el aire.

Características del Líquido Acoplante:

Humectabilidad. ( capaz de mojar la superficie y el palpador )

Viscosidad adecuada.

Baja atenuación. ( que el sonido se transmita al 100% )

Bajo costo.

Removible.

No toxico.

No corrosivo.

Impedancia acústica adecuada.

Tipos de Acoplantes:

Agua

Aceite

Grasa

Glicerina

Vaselina

REFLEXIÓN Cantidad de energía ultrasónica que es reflejada al incidir en una interfase acústica.

LEY DE LA REFLEXION: El ángulo de onda reflejada es igual al ángulo de la onda incidente de la misma especie.

REFRACCIÓN: Se lleva a cabo cuando un haz ultrasónico pasa de un medio a otro, siendo su




velocidad del medio diferente entre sí y cambia la dirección en relación con la dirección de incidencia.

LEY DE LA REFRACCIÓN: El cambio de dirección de la onda refractada, acercándose en la normal a su superficie de separación de ambos medios, depende de la velocidad del sonido en el segundo medio sea menor o mayor que en el primer medio.

2

1

VV

sensen

Donde:

1V Velocidad del medio 1; = Ángulo de incidencia

2V Velocidad del medio 2 ; = Ángulo de refracción

3.3 MATERIALES A ANALIZAR 3.3.1 ACERO INOXIDABLE

Debido a las características que nos ofrece el acero, así como sus propiedades y sobre todo la compatibilidad con el cuerpo humano, se facilita manejarlo para poder hacer implantes o sustituir huesos por prótesis de acero inoxidable. Características: Los materiales empleados en la actualidad en prótesis de cadera, involucran un sin número de aleaciones y materiales, por ejemplo tenemos que el vástago femoral esta fabricado de acero inoxidable 316 y el componente acetabular de polietileno de alta densidad. Se realizaran análisis por ultrasonido en acero inoxidable, dada la importancia que tiene a nivel industrial y en especial en el área de biomecánica, este tiene las siguientes propiedades y características:




Acero Inoxidable: No. AISI-ASTM 316; NMX 316L. PROPIEDADES MECANICAS NMX B-83 316 316L

Resistencia a la tracción Mpa 510 481

Kgf/mm2 52 49 Ksi 74 70

Límite de fluencia Mpa 206 176

Kgf/mm2 21 18 Ksi 30 26

Carga de rotura kg/mm2 63.3 63.3 Dureza brinell 165 150

Dureza rockwell B 85 80 PROPIEDADES QUIMICAS NMX B-83

(% en peso) 316 316L

Carbono 0.08 0.03 Cromo 16-18 16-18 Níquel 10-14 10-14

Molibdeno 2-3 2-3 Azufre 0.03 0.03 Fósforo 0.04 0.04

PROPIEDADES FISICAS NMX B-83 316 316L Densidad: g/cm3 8.027 8.027

P unto de F usión: ̊ C 1370-1400 1370-1400 Estructura Austenítico Austenítico

TABLA 4

Se utilizo como elemento patrón una piezas circular de acero inoxidable, la cual se indica en la figura 2.

FIGURA 2




También se tomo como referencia una barra rectangular de acero. Como elemento a analizar se tomo un disco de frenos ventilado, el cual se considero dado que en la parte media del espesor tiene ranura que permiten el enfriamiento del mismo. 4.- RESULTADOS OBTENIDOS. Después de analizar la información que se tenia y tomando en consideración el material que se utilizara, dado que se pretende que el material a trabajar sea el acero inoxidable y el titanio, se determinaron los palpadores a utilizar los cuales son los siguientes: Palpador de haz angular a 45 (Zapata QW de 45 grados, diámetro 0.5”). Palpador de haz angular a 60 ( zapata QW de 60 grados, diámetro 0.5”.

Palpador de haz angular a 70 (zapata QW de 70 grados, diámetro 0.5”).

Los tres tipos de palpadores se muestran en la figura 3.

FIGURA 3




También se adquirió el traductor de haz angular marca Sonatest, de diámetro 0.5” y frecuencia de 5 MHZ; el cual se indica en la figura 4.

FIGURA 4

Como se indico al principio tratando de optimizar la utilización de los equipos existentes en los laboratorios de esta escuela se utilizara la interfaz TM 150-20 marca Gunt, del equipo de reciente adquisición de vibraciones mecánicas, en las cuales se conectara el traductor, se escogió estas interfaces por ser de reciente tecnología, lo cual las hace ser muy versátiles, mostrándose esta en la figura 5.

FIGURA 5 Para poder realizar los análisis de ultrasonido auxiliándonos por la computadora es necesario instalar en esta una tarjeta compatible con la interfase TM150.20 , la cual tiene los siguientes requerimientos mínimos:




Resolución 1024 X 768 Una entrada libre de PCI Pentium III a 600 MHz 128 MB RAM Sistema operativo: Windows 98, 2000 o XP. Aunado a esto se cuenta con un programa el cual realiza la simulación gráfica de un osciloscopio, el cual es suministrado con la interfase y cuya presentación en la pantalla de la computadora se muestra en la figura 6.

FIGURA 6

Teniéndose el equipo y material a utilizar se realizaron las pruebas con el fin de calibrar al equipo, es importante indicar que existe ya definido el procedimiento a seguir al realizar estas pruebas cuando se cuenta con un osciloscopio, pero en este caso se conectara el sensor a una la interfase y esta a una computadora la cual mediante un paquete computacional realizara la simulación del osciloscopio. En función a la variación de la amplitud de las ondas de salida y mediante algunos cálculos se determinara en que punto se tiene algún defecto en el elemento. Para realizar esto lo primero que se realizo fue seleccionar el elemento con el cual se trabajara, en nuestro caso fue con el elemento circular de acero onoxidable , al cual se le agrego el gel como se observa en la figura 7.




FIGURA 7

Después de agregar el gel se realizo una prueba con los palpadores de 45, 60 y 70 grados, con el fin de verificar si el traductor emitía señal al la interfase y esta a su vez contaba con una comunicación adecuada con el paquete computacional utilizado. De estas pruebas después de algunos ajustes y adecuaciones se logro tener una comunicación adecuada entre el traductor, la interfaz y el paquete computacional. Lo que permitió observar las ondas en la pantalla de la computadora como se observa en la figura 8.

FIGURA 8

El segundo análisis se realizo con la placa rectangular de acero, a la cual también se le agrego el gel, para que como en el caso anterior se tenga un a adecuada transmisión de las ondas.




Posteriormente se procedió a realizar una prueba con los palpadores de 45, 60 y 70 grados, con el fin de conocer el tipo de señal que se transmitía la computadora y el tipo de ondas que se generaban, como se observa en la figura 9.

FIGURA 9

Observándose que la señal se mantenía constante dado que esta placa no tenía ninguna discontinuidad interna. Posteriormente se realizo la prueba el disco de frenos de fundición gris, con el objeto de conocer los tipos de onda que se obtenían en la zona maciza y la zona con discontinuidades internas (zonas huecas). También se realizo la prueba con los palpadores de 45, 60 y 70 grados, con el fin de conocer el tipo de señal que este elemento con discontinuidad emitía a la computadora y el tipo de ondas que se generaban, como se observa en la figura 10.

FIGURA 10




Se observo que las ondas variaban dependiendo de punto donde se realizaba la lectura, si en este se tenía continuidad o era discontinuo. Después de realizar los análisis antes mencionados nos encontramos en estos momentos calibrando el sistema que se genero con el fin de que el mismo se pueda utilizar en la determinación de fracturas en algunos elementos que se están utilizando en los proyectos que se están realizando en esta escuela. Ya que tenga bien establecido el procedimiento a seguir para la realización de análisis de ultrasonido, se establecerán practicas las cuales se pretende que se realicen en las asignatura de Ciencia de Materiales y Resistencia de Materiales, que se imparten en las Carreras de Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Robótica Industrial. Lo anterior permitirá a los alumnos de estas Carreras complementar sus conocimientos sobre los ensayo no destructivos que se aplican a algunos de los materiales que se emplean comúnmente en el área de Ingeniería. 4.1 RESULTADOS OBTENIDOS.

Después de analizar los trabajos realizados, se pueden resumir los resultados obtenidos de la siguiente manera:

a) Se potencializo el equipo de vibraciones mecánicas para que con algunas de sus partes se complemente el equipo necesario para realizar análisis de ultrasonido.

b) Se capacito a los alumnos PIFI que se encuentran participando en este

proyecto para participar en pruebas de ultrasonido.

c) Se aplicaron los conocimientos que se imparten el las carreras de Ingeniería mecánica e Ingeniería en Robótica Industrial.

d) Se fomento en los alumnos participantes el desarrollo de sus

habilidades de investigación.

e) Se incremento el trabajo en conjunto entre los niveles de licenciatura y posgrado de esta escuela.




5. IMPACTO. El proyecto que se realizo tiene un gran impacto en el ámbito académico de la ESIME Unidad Azcapotzalco debido a que se esta cumpliendo el objetivo principal que se planteo al inicio del mismo el cual consistía en definir un sistema de ultrasonido para detectar las fallas existentes en diversos materiales los cuales comúnmente son utilizados en proyectos definidos dentro de las diferentes líneas de investigación que se manejan en esta escuela. Este sistema permitirá completar los análisis no destructivos que se realizan a diversos elementos mecánicos empleados en los proyectos de investigación que se manejan a nivel licenciatura y posgrado. Servirán para apoyar a diversas asignaturas que se imparten a nivel licenciatura como son ciencia de materiales, mecánica de materiales, proyecto mecánico, entre otras, que se imparten a lo largo de las Carreras de Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Robótica Industrial, beneficiando a la población estudiantil de esta escuela. Se establecerán una serie de practicas de laboratorio con el fin de que la mayoría de los alumnos de esta escuela conozcan el funcionamiento de un sistema de ultrasonido y su aplicación en el campo industrial.

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GENERACION DE UN SISTEMA PARA LA …sappi.ipn.mx/cgpi/archivos_anexo/20061590_3932.pdf · instituto politÉcnico nacional escuela superior de ingenierÍa mecÁnica y elÉctrica unidad