IMPLANTACIÓN DE TÉCNICAS DE ULTRASONIDO POR INMERSIÓN

Resumen:

Se presenta la implantación de técnicas de ultrasonido por inmersión en la detección de fallas internas en soldaduras en ensambles automotrices de gran tamaño como toldos, puertas y cofres. Tradicionalmente en la industria automotriz se utilizan técnicas de contacto, destructivas o rayos X, sin embargo; por técnicas de ultrasonido por inmersión se pueden reducir costos y tiempos de operación, obtener una alta confiabilidad de medición y consecuentemente mejorar la calidad del producto. Se aborda el diseño, fabricación y caracterización de un sistema de inspección automatizado en 3D, utilizando un tanque de inmersión de 4,0 m de largo, 2,0 m de ancho y 0,9 m de altura y equipo de medición. El sistema opera en el intervalo de frecuencias de 3,5 MHz a 20 MHz y la frecuencia central es definida en función del tipo de material a inspeccionar y su tamaño de grano. Resultados preliminares y su validación con técnicas destructivas muestran una buena confiabilidad del sistema de inspección, siendo posible detectar fallas internas hasta 0,2 mm en diámetro. Se presentan limitantes en la inspección de algunos sectores de los ensambles, debido a efectos de reflexión, refracción y difracción en ciertas geometrías próximas o en el área de inspección.

1. INTRODUCCIÓN

Los Ensayos No Destructivos (END) son técnicas de inspección utilizadas principalmente para evaluar la sanidad interna y externa de materiales, sin deteriorarlos ni alterar o afectar de forma permanente sus propiedades físicas o químicas. Entre los más comunes se encuentran: Ultrasonido, Visual, Partículas magnéticas, Corrientes de eddy, Emisión acústica, Fugas, Líquidos penetrantes, Radiografía, Termografía, Vibraciones; entre otros. Éstos son utilizados en mayor o menor medida en la en la detección y evaluación de fallas en materiales, como soldaduras.

Tradicionalmente, en la evaluación volumétrica de soldaduras en la industria automotriz se utilizan técnicas de ultrasonido por contacto, rayos X o técnicas destructivas, sin embargo; en este trabajo se demuestra que las técnicas de ultrasonido por inmersión en agua pueden ser un excelente medio de inspección de soldaduras, principalmente en piezas con geometrías complejas y/o con acabados superficiales rugosos.

La técnica de ultrasonido por inmersión consiste en utilizar el agua como medio de acoplamiento acústico entre el transductor y la pieza a examinar, que a diferencia de las técnicas tradicionales de ultrasonido por contacto, el transductor y la pieza son sumergidos total o parcialmente en un tanque con agua de tal manera que no se requiere tener contacto entre ellos, ya que la onda de ultrasonido viaja a través del agua hasta penetrar en la pieza (ver Fig. 1).

La implantación de las técnicas de ultrasonido por inmersión fue enfocada a la inspección de soldaduras en ensambles automotrices de gran tamaño como costados y puertas. Para tal efecto, se desarrolló un sistema de inspección mecánico de 5 grados de libertad, con transductores de inmersión de diferentes frecuencias de operación, tamaños de elemento activo y distancias de enfoque. Dicho sistema de inspección fue diseñado, fabricado y caracterizado por grupos de trabajo de Volkswagen de México (VW) en colaboración con personal del Centro Nacional de Metrología (programa Mesura®).

Fig. 1 Técnica de ultrasonido por inmersión

En la siguiente sección se describen las fases del desarrollo del sistema de inspección.

2. SISTEMA DE INSPECCIÓN

2.1 Diseño

Tanque de inmersión

Se diseñó considerando: a) requerimientos dimensionales de las piezas a evaluar, como su tamaño y geometrías irregulares; b) acceso de evaluación en los puntos de interés (soldaduras) de la pieza y c) operación del sistema de posicionamiento. Se determinó un tamaño de diseño de 4,0 m de largo x 2,0 m de ancho y 0,90 m de altura. El tanque de inmersión es capaz de contener hasta un costado completo de un automóvil (ver Fig. 2).

Fig. 2 Modelación de tanque de inmersión

Sistema de posicionamiento

Se diseñó considerando: a) los desplazamientos mínimos y máximos de la evaluación; b) geometría de barrido de la soldadura (contornos) y c) resolución requerida. El sistema se diseñó con 3 ejes de traslación XYZ y 2 ejes rotacionales.

2.2 Fabricación

La estructura del sistema se fabricó con material comercial metálico (ej. PTR, lámina, placa, etc.) y las paredes se fabricaron con cristal templado de 12 mm de espesor. El sistema de posicionamiento está construido con actuadores neumáticos, rieles lineales de aluminio y codificadores lineales que permiten tener un sistema de lazo cerrado que retroalimenta la posición del posicionador y la corrige mientras se desplaza. El sistema cuenta con niveladores mecánicos independientes en la base para un mejor control de la alineación del tanque (ver Fig. 3).

Fig. 3 Sistema de inspección

2.3 Caracterización

Dimensional

Se han desarrollado pruebas de repetibilidad en posición relativa, arrojando valores menores a 0,5 mm al punto de referencia y varía dependiendo del intervalo de desplazamiento, velocidad y aceleración de movimiento y longitud del brazo vertical dentro del tanque. Se tiene contemplado realizar la caracterización dimensional del sistema de posicionamiento, a fin de evaluar su comportamiento en posicionamiento absoluto. Será utilizado un sistema de medición láser.

Acústica

Fue caracterizado acústicamente, utilizando un juego de bloques de resolución/sensibilidad, como el 30FBH, IIW y miniatura resolución. Cada uno de estos bloques cuenta con fallas internas de referencia que simulan las profundidades y tamaños de falla que comúnmente se presentan en la evaluación de una soldadura (ver Fig. 4). Los bloques han sido calibrados por técnicas de ultrasonido en inmersión, donde se determinan las condiciones físicas de las fallas internas de referencia acorde a ASTM E 428, “Standard practice for fabrication and control of steel reference blocks used in ultrasonic inspection”. De las mediciones realizadas, se encontró que el sistema de inspección en su mejor capacidad de medición (con la instrumentación actual), es capaz de detectar fallas internas de hasta 0,2 mm de diámetro. El criterio de detección se basó en que la señal de la falla de referencia ajustada con la ganancia del detector ultrasónico de fallas en 80 %EV no presentara ruido acústico y/o eléctrico mayor a 20 %EV en la zona de la indicación o que la señal de la interfase más próxima (pared posterior

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