Información general sobre la aplicación de inspección de pernos
Los pernos tienden a presentar varios defectos, algunos se producen al momento de instalarlos, en servicio o durante la fabricación. Detectar defectos en los pernos puede optimizar la seguridad de la maquinaria y equipamiento, además de aumentar la vida útil de estos componentes.
Solución con la tecnología Phased Array mediante sonda de matriz anular
La tecnología Phased Array para ensayos ultrasónicos (PAUT) no sólo permite a los inspectores ejecutar escaneos de alta velocidad sin necesidad de desplazar la sonda, sino que también permite el control de las características del haz para mejorar el rendimiento de la inspección. Una sola sonda Phased Array, controlada electrónicamente, puede llevar a cabo inspecciones a partir de múltiples ángulos, lo que ofrece más flexibilidad en la inspección de piezas con perfiles geométricos complejos.
A través de esta nota de aplicación, se describen varios ensayos que se han efectuado con el detector de defectos OmniScan X3 y una sonda personalizada de matriz anular (5D26-12-64) para demostrar la eficiencia de este equipamiento al detectar defectos en pernos o piezas de geometría similar.
Figura 1. Detector de defectos OmniScan X3 conectado a la sonda de matriz anular que se halla sobre un perno
Figura 2. Sonda personalizada de matriz anular 5D26-12-64 (arriba) y esquema de distribución de elementos (abajo)
Especificaciones de la sonda personalizada de matriz anular
Diámetro externo: 26 mm
Diámetro interno: 12 mm
Elementos: 64
Apertura activa total:
Circunferencia exterior: 81,68 mm
Circunferencia interior: 37,69 mm
Paso exterior: 1,276 mm
Paso interior: 0,5889 mm
Elevación: 14 mm
Figura 3. Perno de referencia con defectos (fallas) maquinados. Este perno de referencia presenta defectos de fabricación: ranuras de 1 mm de profundidad ubicadas a 20 mm (donde la cabeza del perno se une con el tornillo), 80 mm y 140 mm desde la superficie superior de la cabeza del perno.
Ensayo con varias frecuencias de emisión usando la sonda anular Phased Array
Emisión de ocho elementos de forma simultánea a partir de la sonda PA
Las capturas de pantalla (Figuras de 4 a 6) a continuación, provenientes de la pantalla del detector de defectos OmniScan X3, muestran los resultados del ensayo de los tres defectos al momento de la emisión por ocho elementos, contenidos en la sonda de matriz anular. Se usó la técnicas de escaneo lineal y la sonda se mantuvo en posición estacionaria sobre la cabeza del perno.
Secuencia de disparo: 1-8, 2-9, 3-10,…57-64
Figura 4. En el caso del defecto (ranura) de 20 mm de profundidad, a partir de la superficie superior (donde la cabeza del perno se une con el tornillo), se detectó una profundidad de 21,89 mm.
Figura 5. En el caso del defecto (ranura) de 80 mm de profundidad, a partir de la superficie superior, se detectó una profundidad de 78,89 mm.
Figura 6. En el caso del defecto (ranura) de 140 mm de profundidad, a partir de la superficie superior, se detectó una profundidad de 138,17 mm.
Emisión de cuatro elementos de forma simultánea a partir de la sonda PA
Después, se excitaron cuatro elementos a la vez, y todas las demás condiciones permanecieron sin cambios. Los resultados del ensayo efectuado se muestran en la Figura 7.
Secuencia de disparo: 1-4, 2-5, 3-6,…61-64
Figura 7. Las señales provenientes de los defectos (ranuras) poco profundos, ubicados respectivamente a 20 mm y 80 mm de la superficie superior, son fuertes y las indicaciones son claras; pero, la señal proveniente del defecto (ranura) a 140 mm de profundidad fue más débil.
Emisión de forma simultánea de dos elementos a partir de la sonda PA
Cuando se emitieron dos elementos de forma simultánea, la señal del defecto a 140 mm de profundidad —a partir de la superficie superior de la cabeza del perno— fue casi indetectable (ver Figura 8).
Secuencia de disparo: 1-2, 2-3, 23-4,…63-64
Figura 8: Señal del defecto a 140 mm de profundidad a partir de la superficie superior que aparece casi indetectable usando dos elementos.
Emisión de forma simultánea de dieciséis elementos a partir de la sonda PA
Con la excitación de 16 elementos simultáneamente, la señal del defecto a 140 mm de profundidad —a partir de la superficie superior de la cabeza del perno— se mostró con mayor claridad. Sin embargo, debido a que los 16 elementos estaban distribuidos de modo circular y, por lo tanto, abarcaban un gran arco, no focalizaron de manera efectiva, lo que condujo a un alargamiento y matización de la señal. Esto no suele ocurrir cuando se usa una sonda de matriz lineal.
Secuencia de disparo: 1-16, 2-17, 3-18,…49-64
Figura 9: Resultados obtenidos a partir del ensayo con la emisión simultánea de 16 elementos.
Emisión de 32 elementos de forma simultánea a partir de la sonda PA
Posteriormente, se intentó la emisión de forma simultánea con 32 elementos, es decir la mitad de todos los elementos a modo de semicírculo. Ya que estos 32 elementos estaban dispuestos en un arco semicircular y no estaban en línea recta a lo largo de un plano horizontal, el haz acústico no podía focalizar, lo que generaba señales con una importante distorsión e imposibilitaba la identificación de la señal del defecto ubicado en 140 mm de profundidad desde la superficie superior de la cabeza del perno (ver Figura 10).
Secuencia de disparo: 1-32, 2-33, 3-34,…33-64
Figura 10: Resultados obtenidos a partir del ensayo con la emisión simultánea de 32 elementos.
Conclusiones sobre los resultados obtenidos al usar la sonda anular Phased Array
En función de los resultados experimentales descritos anteriormente, se concluye lo siguiente:
- Es posible obtener resultados relativamente mejores cuando se excitan simultáneamente ocho elementos en la inspección de pernos.
- Cuando se excitan menos de ocho elementos simultáneamente, el haz acústico tiende a una penetración más débil, lo que reduce el rendimiento de detección para los defectos más profundos.
- Por el contrario, cuando se excitan más de ocho elementos de forma simultánea, sin encontrarse en línea recta, la capacidad de enfoque se reduce, lo que hace que la señal se alargue y matice.
Comparación usando una sonda de matriz lineal para un escaneo sectorial por ultrasonido multielemento (Phased Array)
El siguiente ensayo es proporcionado con el fin de establecer una comparación del rendimiento con respecto a la sonda de matriz anular y una sonda lineal Phased Array típica (ver Figura 11).
Figura 11. Esquema de hace con la sonda de matriz lineal en el detector de defectos OmniScan X3
Se logró detectar todos los defectos en el perno utilizando una sonda de matriz lineal y una técnica de escaneo sectorial; sin embargo, se requieren más pasos. Con el fin de detectar el defecto ubicado a 20 mm de profundidad a partir de la superficie superior de la cabeza del perno, fue necesario emplear una suela (zapata) para aumentar el ángulo de incidencia de los rayos. Además, la señal generada por este defecto y la señal proveniente del borde de la superficie inferior de la cabeza del perno estaban demasiado juntas para distinguirlas (ver Figura 12).
Figura 12. Resultados del escaneo del defecto ubicado a 20 mm de profundidad a partir de la superficie superior de la cabeza del perno.
Para detectar los defectos ubicados a 80 mm y 140 mm de profundidad a partir de la superficie superior de la cabeza del perno, se tuvo que usar la sonda sin suela (zapata) para evitar que los ecos inherentes de la suela (zapata) comprometieran los resultados de inspección. La Figura 13 muestra las representaciones del escaneo de los defectos, ubicados a 80 mm y 140 mm de profundidad, a partir de la superficie superior de la cabeza del perno. Cabe mencionar, que después de detectar el primer defecto, se tuvo que girar la sonda para detectar el otro defecto.
Figura 13. Resultados de los defectos ubicados a 80 mm (izquierda) y 140 mm (derecha) de profundidad a partir de la superficie superior de la cabeza del perno.
Ventajas de la sonda personalizada de matriz anular multielementos (Phased Array)
Este experimento demostró que la sonda de matriz anular proporciona ventajas particulares sobre la sonda de matriz lineal; estas se mencionan a continuación:
- La sonda de matriz anular permite detectar defectos ubicados en todos los ángulos sin tener que girarla, mientras que la sonda lineal debe ser girada al menos 180° para detectar defectos ubicados en todos los ángulos.
- La sonda de matriz anular puede detectar defectos cercanos a la superficie, donde la cabeza del perno se une al tornillo, sin necesidad de usar una suela (zapata), mientras que la sonda de matriz lineal requiere una suela (zapata) para aumentar el ángulo de deflexión y poder detectar los defectos cercanos a la superficie en tal área.
A partir de los resultados, también se calcula que la sonda de matriz anular funcionará bien en pernos dotados de un taladro central, pero que los haces generados por la sonda de matriz lineal pueden verse obstaculizados por dicha característica, lo que imposibilita la detección de defectos. Próximamente, se experimentará con tornillos reales dotados de un taladro central a fin de validar las ventajas de la sonda de matriz anular en este tipo de tornillos.
