ES2428152T3 - Proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo en una zona curvada de su superficie y disposición de ensayo apropiada para la realización del proceso - Google Patents

Proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo en una zona curvada de su superficie y disposición de ensayo apropiada para la realización del proceso Download PDF

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Abstract

Proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo (2) en una zona curvada de su superficie,particularmente de una pieza de trabajo (2) hecha de un material compuesto de fibras, en el cual en esa zona seacopla acústicamente un palpador de ultrasonido (10) a la pieza de trabajo, el cual contiene una disposición detransductores de ultrasonido (12) constituida por una pluralidad (N) de elementos transductores (20i) dispuestos unojunto a otro y activables individualmente, reuniéndose en ciclos de ensayo cronológicamente sucesivos en cada casouna cantidad (n) de elementos transductores (20i), formando un grupo y activándoselos con desfase temporal entresí en una pluralidad de pulsos de ensayo dentro de ese ciclo de ensayo, de tal modo que el haz de ultrasonidos(30a-d) emitido se gira en ese ciclo de ensayo en un rango angular (α1,α2) prefijado, de modo que cada grupo recibeuna cantidad de señales de eco, que se corresponde con la cantidad de pulsos de ensayo, de diferentes direccionesde la pieza de trabajo (2), y en el que se determinan y utilizan para la evaluación las señales de eco de los pulsos deensayo, en los que es máxima una señal de eco de pared trasera (R) recibida de una pared trasera (6) de la piezade trabajo (2), o bien una señal de eco de entrada (E) recibida de la superficie (8) de la pieza de trabajo (2).

Description

Proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo en una zona curvada de su superficie y disposición de ensayo apropiada para la realización del proceso
El invento trata de un proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo en una zona curvada de su superficie, particularmente una pieza de trabajo hecha de un material compuesto de fibras. Además, el invento trata de una disposición de ensayo apropiada para la realización del proceso.
En particular, las piezas hechas de materiales compuestos de fibras, por ejemplo, plásticos reforzados con fibras de vidrio o reforzados con fibras de carbono (PRFV, o bien PRFC), pueden presentar una alta porosidad o deslaminaciones debido al proceso de producción elegido en cada caso. Esto presenta un problema considerable particularmente en el caso de componentes que son altamente solicitados en forma mecánica e importantes para la seguridad.
A través de Gundtoft, Hans Erik, "Quantitative material characterisation of composites by ultrasonic scanning", 15th WCNDT Conference Roma 2000, publicado en Internet bajo la dirección www.ndt.net /article / wcndtoo / papers / idn531 / idn531.htm, se conoce un proceso, para determinar la porosidad de un material compuesto de fibras, en el que al componente se le acopla una señal de ultrasonido, se registra la amplitud de la señal de eco de pared trasera y se la compara con correspondientes señales de un componente que está en perfecto estado. Una amplitud más reducida de la señal de eco de pared trasera de la señal de ultrasonido es en este caso un indicio de la existencia de puntos porosos dentro del componente.
A través de Shark L.-K., Yu, C., "Automatic estimation of ultrasonic attenuation for porosity evaluation in composite material", lSth WCNDT Conference Roma 2000, es conocido además, que se corrige la señal de eco de pared trasera con un así llamado análisis de wavelet, utilizándose para evaluar la porosidad la relación entre la amplitud de la señal de eco de entrada y la amplitud de la señal corregida de eco de pared trasera.
Sin embargo, los procesos conocidos suponen que los componentes a ensayar presentan una superficie plana y una pared trasera esencialmente paralela a ésa para obtener un eco de pared trasera evaluable. Sin embargo, en particular, el ensayo automatizado de componentes en zonas irregulares, particularmente susceptibles a defectos debido a la técnica de fabricación, por ejemplo, en zonas de radio curvadas o en zonas, en las que el componente está reforzado por medio de largueros, representa un problema especial. Para obtener resultados de ensayo fiables también en esas zonas continúa siendo necesario realizar un ensayo manual con palpadores de emisión-recepción.
Por la EP 1 398 627 A2 y la US 2004/0016299 A1 se conocen disposiciones de ensayo para el ensayo por ultrasonido de componentes con superficies curvadas, en las que se utilizan palpadores de ultrasonido que están constituidos por un sinnúmero de elementos transductores que están dispuestos uno junto a otro y son activables en forma individual.
El invento se basa ahora en el objetivo de presentar un proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo en una zona curvada de su superficie, particularmente una pieza de trabajo hecha de un material compuesto de fibras, con el cual es posible una amplia automatización del ensayo con alta calidad de ensayo. Además, el invento se basa en el objetivo de presentar una disposición de ensayo apropiada para la realización del proceso.
En lo referente al proceso, el objetivo mencionado se consigue según el invento con un proceso con los atributos de la reivindicación 1. Según estos atributos, a la pieza de trabajo se le acopla acústicamente en una zona curvada de su superficie un palpador de ultrasonido que contiene una disposición de transductores de ultrasonido constituida por un sinnúmero de elementos transductores que están dispuestos uno junto a otro y son activables en forma individual, reuniéndose en ciclos de ensayo cronológicamente sucesivos en cada caso una cantidad de elementos transductores, formando un grupo y activándoselos con desfase temporal entre sí en un sinnúmero de pulsos de ensayo dentro de ese ciclo de ensayo, de tal modo, que el haz de ultrasonidos emitido en ese ciclo de ensayo se gira en un rango angular prefijado, de modo que para cada grupo se recibe una cantidad de señales de eco, que se corresponde con la cantidad de pulsos de ensayo, de diferentes direcciones de la pieza de trabajo. Para la evaluación se utilizan las señales de eco de los pulsos de ensayo, en los que es máxima una señal de eco de pared trasera recibida de una pared trasera de la pieza de trabajo, o bien una señal de eco de entrada recibida de la superficie de la pieza de trabajo.
Dado que pueden analizarse señales de eco de diferentes direcciones de la herramienta, está mejorada la evaluación cualitativa de la pieza de trabajo, por ejemplo, en lo referente a su porosidad o en lo referente a la presencia de deslaminaciones.
En una configuración preferente del proceso se utiliza una disposición de transductores de ultrasonido con una superficie curvada de emisión y recepción que está adaptada a la curvatura de la superficie.
Si el acoplamiento acústico tiene lugar mediante un tramo de agua, es posible acoplar, con pocas pérdidas, en la pieza de trabajo, el ultrasonido producido por la disposición de transductores de ultrasonido, también en el caso de superficies desniveladas e irregulares.
En una configuración preferente del proceso se modifica la distancia del palpador de ultrasonido con respecto a la superficie. De este modo es posible restringir el rango angular necesario y correspondientemente la cantidad de los pulsos de ensayo necesarios en cada ciclo de ensayo a una medida necesaria para encontrar el máximo eco de pared trasera.
En lo referente a la disposición de ensayo, el objetivo mencionado se consigue según el invento con una disposición de ensayo con los atributos de la reivindicación 5, cuyas ventajas se corresponden con las ventajas indicadas para las reivindicaciones de proceso correspondientes en cada caso. En las subreivindicaciones se indican configuraciones favorables de esta disposición de ensayo.
Para la explicación ulterior del invento se remite al ejemplo de fabricación del dibujo. Muestran
las figuras 1 a 3, en cada caso una pieza de trabajo, que está construida de un material compuesto de fibras, en una zona curvada de su superficie en una representación esquemática en sección,
la figura 4, la pieza de trabajo según la figura 2 con una disposición de ensayo puesta encima en la zona de radios y representada esquemáticamente,
la figura 5, un disposición de ensayo en una posición puesta encima de una pieza de trabajo y en una representación esquemática en sección,
la figura 6, un diagrama simplificado y esquematizado de manera basta, en el que las señales de eco S recibidas por la disposición de transductores de ultrasonido en diferentes pulsos de ensayo dentro de un ciclo de ensayo están trazadas contra el tiempo de funcionamiento t.
Según la figura 1, una pieza de trabajo 2 constituida por un material compuesto de fibras, por ejemplo, un componente de PRFC, está constituida por varias capas de fibras 4 que están laminadas una sobre otra. La pieza de trabajo 2 presenta una zona de superficie curvada, estando en el ejemplo mostrado representada una situación ideal, en la que el punto medio de curvatura M1 del radio de la superficie 6 cóncava interna coincide con el punto medio de curvatura M2 del radio de las superficie 8 externa cóncava, de modo que un haz de ultrasonidos acoplado en esa zona perpendicularmente en la superficie 8 externa también incide perpendicularmente sobre la superficie 6 interna –la pared trasera-.
Pero semejante situación ideal por lo general no se encuentra en la práctica. La figura 2 muestra ahora una situación, como se la observa frecuentemente, en la que la superficie 6 interna y la superficie 8 externa presentan zonas de radios que ya no son concéntricas unas con respecto a otras, de modo que un haz de ultrasonidos acoplado perpendicularmente en la superficie 8 externa ya no incide forzosamente también perpendicularmente sobre la superficie 6 interna.
Otra situación que también se encuentra frecuentemente en la práctica está mostrada en la figura 3. Allí, la zona curvada forma una zona de transición entre dos zonas de la pieza de trabajo 2 que presentan espesores d1 y d2 diferentes.
Según la figura 4, una disposición de ensayo según el invento está puesta encima de la zona curvada de la superficie de la pieza de trabajo 2 representada en la figura 2. Aquella incluye un palpador de ultrasonido 10 que está centrado sobre la pieza de trabajo 2 de modo tal, que su eje central 11 corta el punto medio de radio M2 de la superficie 8 externa. En el palpador de ultrasonido 10 está dispuesta una disposición de transductores de ultrasonido 12, cuya superficie de recepción y emisión 14 presenta un radio de curvatura adaptado al radio de curvatura de la superficie externa y que en el ejemplo está curvado en forma cóncava. En el caso ideal, ese radio de curvatura, así como la distancia de la superficie de emisión y recepción 14 con respecto a la superficie 8 externa, está ajustado, con el palpador de ultrasonido 10 posicionado correctamente, de modo tal, que su punto medio de radio coincide con el punto medio de radio M2 del radio de curvatura de la superficie 8 externa.
El cabezal de ultrasonido 10 está dispuesto en una cámara de agua 16, de modo que entre la superficie de emisión y recepción 14 y la superficie 8 externa se encuentra un tramo inicial lleno de agua. Los labios obturadores 18 sobre el borde de la cámara de agua 16 aseguran que la cantidad de suministro de agua, que es necesaria para mantener el tramo de agua, a la cámara de agua 16 sea lo más reducida posible.
Según la figura 5, la disposición de transductores de ultrasonido 12 incluye un sinnúmero N, por ejemplo, N = 32, de elementos transductores 201, 202... 20N piezoeléctricos dispuestos uno junto a otro que están dispuestos a lo largo de una línea curvada cóncava en una carcasa 22 (agrupación lineal curvada de transductores). Sobre su lado de emisión y recepción está dispuesta una capa de adaptación A/4 24 que sirve para una adaptación acústica entre el
material oscilador de los elementos transductores 201-20N y el medio de acoplamiento, que en el ejemplo de fabricación es agua, que sirve de tramo inicial. Sobre su lado trasero opuesto al lado de emisión y recepción, los elementos transductores 201-20N son contiguos a un cuerpo amortiguador 26 dispuesto en la carcasa 22.
Los elementos transductores 201-20N pueden activarse independientemente uno de otro. En este caso puede reunirse en cada caso una cantidad n de elementos transductores 201-20N, preferentemente dos a cuatro elementos transductores 201-20N contiguos uno a otro, formando un grupo en un ciclo de ensayo. En el ejemplo de fabricación se muestra una situación, en la que en un ciclo de ensayo de este tipo están reunidos dos elementos transductores 20i y 20i+1 contiguos formando un grupo. En este ciclo de ensayo, los transductores individuales 20i y 20i+1 se activan, con desfase temporal de uno con respecto a otro, en un sinnúmero de pulsos de ensayo en cada caso con tiempos de retardo diferentes, de modo que el haz de ultrasonidos emitido por aquellos puede girarse en un rango angular a1,a2.
En la figura 5 está dibujada ahora una situación, en la que, para el caso de que el desfase temporal (diferencia de tiempo) Lt entre elementos transductores 20i y 20i+1 es igual a cero, el haz de ultrasonidos 30a emitido por los dos elementos transductores 20i y 20i+1 perpendicularmente a la superficie de emisión y recepción 14 incide perpendicularmente sobre la superficie 8 externa de la pieza de trabajo 2 pero no también perpendicularmente sobre la superficie 6 interna de ésa y, por consiguiente, esa superficie 6 interna lo refleja oblicuamente, de modo que los dos elementos transductores 20i y 20i+1 no reciben el correspondiente eco de pared trasera o lo reciben solo con una intensidad de señal reducida. Por medio de desfase temporal de la activación de los elementos transductores 20i y 20i+1 se varía ahora el ángulo de emisión a sucesivamente en pasos de, por ejemplo, 2° en ambo s sentidos, y se reciben las señales de eco correspondientes en cada caso. En este caso, el rango angular a1,a2 es de aproximadamente 20° (por ejemplo simétricamente alr ededor de a = 0° con a1=a2=10°), de modo que dentro del ciclo de ensayo tienen lugar 11 pulsos de ensayo. En la figura se reconoce ahora que en el caso de un ángulo de emisión as resulta al menos aproximadamente una situación, en la que el haz de ultrasonidos 30b emitido en el pulso de ensayo s y que se extiende bajo un ángulo as con respecto a la normal de la superficie de emisión y recepción 14 incide casi perpendicularmente sobre la superficie 6 interna, de modo que los dos elementos transductores 20i y 20i+1 reciben con la máxima intensidad de señal el eco de pared trasera emitido por la superficie 6 interna. Esa señal de eco con la máxima intensidad de señal de la señal de eco de pared trasera se toma ahora para la evaluación ulterior, por ejemplo, comparando la amplitud de señal de la señal de eco de pared trasera con la amplitud de señal de la señal de eco de entrada reflejada en la superficie 8 externa, por ejemplo, por formación de proporción. En esta formación de proporción se utiliza preferentemente la señal de eco de entrada de aquel pulso de ensayo, en la que ésa es máxima, en el ejemplo, en un ángulo de giro a = 0°. Los haces de ultrasonido 30c, o bien 30d, em itidos en cada caso bajo los ángulos de giro a1 y a2 se reflejan en la superficie 6 interna también de una manera que prácticamente ya no se reciben por los elementos transductores 20i y 20i+1 del grupo activo.
Por motivos de claridad, en la figura 5 no está representada una refracción de los rayos de ultrasonido 30a-d que tiene lugar sobre la superficie 8 externa.
En la figura 5 está representada una situación, en la que la curvatura de la superficie de emisión y recepción 14 de la disposición de transductores de ultrasonido 12, o bien del palpador de ultrasonido 10, presenta un radio que es mayor que el radio, que en forma idealizada se representa como constante, de la superficie 8 externa, y en la que, para el caso de que la diferencia de tiempo, con la que se activan los elementos transductores 20i, 20i+1 que forman un grupo, es igual a cero, el haz de ultrasonidos emitido por aquellos incide perpendicularmente sobre la superficie 8 externa. Esto supone que la distancia a entre la superficie de emisión y recepción 14 y la superficie 8 externa se corresponde con la diferencia de aquellos dos radios, y que sus puntos medios de radio coinciden. Para posibilitar esto en ciertos límites, el palpador de ultrasonido 10 está dispuesto en forma desplazable axialmente, es decir, en dirección del eje central 11 de la disposición de transductores de ultrasonido 12, con su disposición de transductores de ultrasonido 12 en la cámara de agua 16, como se muestra esto por medio de la flecha doble 40. Por medio de esta medida pueden compensarse diferencias en los radios de curvatura de la superficie 8 externa, de modo que el rango angular necesario en el ciclo de ensayo puede minimizarse. Si, por ejemplo, el radio de curvatura de la superficie 8 externa es escasamente más grande, entonces puede ocasionarse una situación concéntrica – suponiendo un posicionamiento ideal del palpador de ultrasonido 10 y una curvatura ideal, que tenga forma de arco, de la superficie 8 externa– por el hecho de que el palpador de ultrasonido 10 se desplaza axialmente en la cámara de agua 16 hacia la superficie 8 externa, es decir, se modifica su distancia a con respecto a esa superficie 8 externa. De este modo es posible revisar un componente, que tenga un radio de curvatura que cambia en una dirección perpendicular al plano de curvatura (plano de dibujo de las figuras 1-5), por ejemplo, un larguero de un timón de dirección de un avión, con una única disposición de ensayo modificando la distancia a simultáneamente con el movimiento de la disposición de ensayo en esa dirección longitudinal.
En el caso de radios no ideales, la distancia de la superficie de emisión y recepción de los elementos transductores, que en cada caso forman un grupo, con respecto a la superficie 8 externa no es constante. El tramo de recorrido cambiante en la cámara de agua 16 ocasiona un desplazamiento temporal de las señales de eco. Esto dificulta la evaluación de las señales de medición en una representación gráfica, por ejemplo en una imagen B. Para determinar la ventana de tiempo para las señales de eco apropiada para un grupo se activa en un paso precedente de medición un elemento transductor 20i individual, cuyo haz de ultrasonidos se emite en un gran rango angular, y
con el cual se determina la distancia de ese elemento transductor 20i con respecto a la superficie 8 externa. Esa distancia, o bien el correspondiente tiempo de recorrido, se utiliza para establecer la ventana de tiempo para la señal de eco de aquellos grupos que son contiguos a ese elemento transductor 20i, por ejemplo, el grupo 20i-2,20i-1 hasta 20i+1, 20i+2.
5 En el diagrama de la figura 6 se representan a modo de ejemplo las señales de eco S, que recibe un grupo en diferentes segundos pulsos de ensayo en cada caso en dependencia del tiempo de recorrido, para cuatro pulsos de ensayo dentro de un ciclo de ensayo. La curva a muestra una situación, en la que el haz de ultrasonidos incide perpendicularmente sobre la superficie 8 externa, pero no perpendicularmente sobre la superficie 6 interna (diferencia de tiempo Lt = 0, correspondiente haz de ultrasonidos 30a). De este modo se genera una elevada señal
10 de eco de entrada E con una señal de eco de pared trasera R relativamente baja. La curva b refleja la situación, como se la mide con el haz de ultrasonidos 30b. La señal de eco de entrada E está notablemente reducida, la señal de eco de pared trasera R es, por el contrario, máxima. Las curvas c y d muestran situaciones, en las que el haz de ultrasonidos 30c, o bien 30d, no incide en ángulo recto ni sobre la superficie 8 externa ni sobre la superficie 6 interna, de modo que ni la señal de eco de entrada E ni la señal de eco de pared trasera R son máximas. Para la
15 evaluación se toman ahora las señales de eco de las curvas a y b, es decir, las señales de eco de los pulsos de ensayo correspondientes a los ángulo de giro 0° y as, por ejemplo, dividiendo la amplitud de señal de la señal de eco de pared trasera R del pulso de ensayo generador de la curva b por la amplitud de señal de la señal de eco de entrada E del pulso de ensayo generador de la curva a.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Proceso para el ensayo por ultrasonido de una pieza de trabajo (2) en una zona curvada de su superficie, particularmente de una pieza de trabajo (2) hecha de un material compuesto de fibras, en el cual en esa zona se acopla acústicamente un palpador de ultrasonido (10) a la pieza de trabajo, el cual contiene una disposición de transductores de ultrasonido (12) constituida por una pluralidad (N) de elementos transductores (20i) dispuestos uno junto a otro y activables individualmente, reuniéndose en ciclos de ensayo cronológicamente sucesivos en cada caso una cantidad (n) de elementos transductores (20i), formando un grupo y activándoselos con desfase temporal entre sí en una pluralidad de pulsos de ensayo dentro de ese ciclo de ensayo, de tal modo que el haz de ultrasonidos (30a-d) emitido se gira en ese ciclo de ensayo en un rango angular (a1,a2) prefijado, de modo que cada grupo recibe una cantidad de señales de eco, que se corresponde con la cantidad de pulsos de ensayo, de diferentes direcciones de la pieza de trabajo (2), y en el que se determinan y utilizan para la evaluación las señales de eco de los pulsos de ensayo, en los que es máxima una señal de eco de pared trasera (R) recibida de una pared trasera (6) de la pieza de trabajo (2), o bien una señal de eco de entrada (E) recibida de la superficie (8) de la pieza de trabajo (2).
  2. 2.
    Proceso según la reivindicación 1, en el que la disposición de transductores de ultrasonido (12) presenta una superficie de emisión y recepción (14) curvada que está adaptada a la curvatura de la superficie (8).
  3. 3.
    Proceso según las reivindicaciones 1 o 2, en el que se utiliza un tramo de agua para el acoplamiento acústico.
  4. 4.
    Proceso según la reivindicación 3, en el que se modifica la distancia (a) del palpador (10) con respecto a la superficie (8).
  5. 5.
    Disposición de ensayo que comprende una cámara de agua (16) y un palpador de ultrasonido (10), el cual contiene una disposición de transductores de ultrasonido (12) constituida por una pluralidad de elementos transductores (20i) activables individualmente y dispuestos uno junto a otro a lo largo de un línea curvada en forma cóncava con un radio, y el cual está dispuesto en la cámara de agua (16), que sirve como tramo inicial, en forma desplazable en dirección de su eje central (11) que corre hacia el punto medio de aquel radio, preparada para la realización del proceso según una de las reivindicaciones precedentes, reuniéndose en ciclos de ensayo cronológicamente sucesivos en cada caso una cantidad (n) de elementos transductores (20i), formando un grupo y activándoselos con desfase temporal entre sí en una pluralidad de pulsos de ensayo dentro de ese ciclo de ensayo, de tal modo, que el haz de ultrasonidos (30a-d) emitido se gira en ese ciclo de ensayo en un rango angular (a1,a2) prefijado, de modo que cada grupo recibe una cantidad de señales de eco, que se corresponde con la cantidad de pulsos de ensayo, de diferentes direcciones de la pieza de trabajo (2), y en el que se determinan y utilizan para la evaluación las señales de eco de los pulsos de ensayo, en los que es máxima una señal de eco de pared trasera (R) recibida de una pared trasera (6) de la pieza de trabajo (2), o bien una señal de eco de entrada (E) recibida de la superficie (8) de la pieza de trabajo (2).
  6. 6.
    Disposición de ensayo según la reivindicación 5, en la que la cámara de agua (16) está abierta en una superficie de acoplamiento opuesta al palpador de ultrasonido (10) y un borde que rodea la superficie de acoplamiento está provisto de un labio obturador (18) elástico.
  7. 7.
    Disposición de ensayo según las reivindicaciones 5 o 6, en la que la disposición de transductores de ultrasonido
    (12) presenta una superficie de emisión curvada.
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