ES2851425T3 - Disposición para el ensayo de materiales no destructivo - Google Patents

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Abstract

Disposición para el ensayo de materiales no destructivo, con la que se emiten y detectan ondas de cizallamiento en superficies elásticas de componentes o piezas de trabajo, con una disposición (1) de elementos transductores piezoeléctricos y un componente o pieza de trabajo, en la que los elementos transductores piezoeléctricos (2) están dispuestos uno sobre otro en varios planos y los elementos transductores piezoeléctricos (2) son fibras piezoeléctricas y/o elementos piezoeléctricos en forma de plaquitas, que están conectados con un material elásticamente deformable o están embebidos en él; y las fibras piezoeléctricas están orientadas respectivamente en un plano en paralelo entre sí y las fibras piezoeléctricas en un plano adyacente están orientadas de forma inclinada en un ángulo respecto a las fibras piezoeléctricas que está dispuestas en el respectivo otro plano, o los elementos transductores piezoeléctricos en forma de plaquitas presentan un espesor con el que se puede conseguir un estiramiento o acortamiento en el caso de tensión eléctrica aplicada y/o configuración de al menos un campo eléctrico en al menos una dirección axial, y los elementos transductores piezoeléctricos (2), que están dispuestos en planos adyacentes, se pueden operar respectivamente de manera opuesta entre sí, de modo que en un plano se provoca un alargamiento y en el plano adyacente se provoca simultáneamente un acortamiento de la longitud de uno o varios elementos transductores piezoeléctricos (2) en al menos una dirección axial y la disposición (1) está conectada de manera duradera por adherencia de materiales y/o en arrastre de forma con la pieza de trabajo o el componente.

Description

DESCRIPCIÓN
Disposición para el ensayo de materiales no destructivo
La invención se refiere a una disposición para el ensayo de materiales no destructivo, con el que se emiten y detectan ondas de cizallamiento en superficies elásticas de componentes o piezas de trabajo. A este respecto se usan elementos transductores piezoeléctricos.
En el ensayo de materiales no destructivo se usan transductores piezoeléctricos para la emisión y acoplamiento de ondas elastomecánicas en una pieza de trabajo a examinar. Para ciertas tareas de ensayo se requiere y es ventajosa la configuración de ondas de cizallamiento. Estas ondas de cizallamiento provocan desplazamientos de partículas perpendicularmente a su dirección de propagación. A este respecto, son posibles dos polarizaciones, a saber, ondas de cizallamiento polarizadas verticalmente (SV) y ondas de cizallamiento polarizadas horizontalmente (SH). En el caso de ondas de cizallamiento polarizadas horizontalmente, la dirección de vibración se sitúa en el plano de sonorización. Tales ondas SH son apropiadas en particular para la detección de grietas, como una forma de defecto, en tuberías y cordones de soldadura. Las ondas Sh están libres de dispersión y por ello son de muy larga duración. Además, no interactúan con medios fluidos que limitan desde fuera o desde dentro con el componente.
Las ondas de cizallamiento SH se pueden configurar mediante aprovechamiento del efecto de cizallamiento en materiales piezoeléctricos o mediante el uso de transductores ultrasónicos electromagnéticos. A este respecto, la invención se dirige a las mejoras en la configuración de ondas de cizallamiento con transductores piezoeléctricas. En los transductores piezoeléctricos, en los que el cizallamiento se desencadena por el efecto d15, es desventajoso el hecho de que el lado superior de transductor se debe cargar mediante una masa sísmica relativamente grande, o se debe efectuar una fijación, con la que se impide el cizallamiento, en el transductor, para que las ondas de cizallamiento se puedan transferir a la pieza de trabajo a examinar.
El efecto piezoeléctrico vincula entre sí magnitudes eléctricas y mecánicas. Una deformación mecánica se convierte gracias a la cerámica piezoeléctrica en una señal eléctrica y a la inversa. El comportamiento de sensor y actuador de estos materiales posibilita una pluralidad de aplicaciones en el sector de electrotecnia, acústica, tecnología de automatización, tecnología de comunicaciones, en la fabricación de automóviles y en otros campos de aplicación. A este respecto se usan sensores y actuadores piezocerámicos, así como grupos constructivos piezocerámicos y sistemas para la aplicación.
La deformación, que se provoca por la aplicación de una tensión eléctrica y configuración de un campo eléctrico, se caracteriza habitualmente por los índices en la notación Voigt, donde el primer índice indica la causa, es decir, la dirección del campo eléctrico y el segundo índice el efecto, es decir, la dirección de la deformación del material piezoeléctrico.
Junto al uso de transductores piezoeléctricos como resonador de espesor (d33), es decir, aplicación de un campo eléctrico en la dirección de la polarización del transductor, o el cambio de longitud lateral (d31, d32) provocado por la contracción transversal, son posibles aplicaciones en las que se desee un cizallamiento del transductor. Gracias a la configuración de un campo eléctrico transversalmente al eje de polarización, el lado superior e inferior del transductor cizallan en direcciones opuestas (d15). Si una de estas superficies del transductor se aplica sobre el objeto a examinar por medio de pegado o líquidos muy viscosos y se sujeta el lado opuesto de forma mecánica o a través de inercia, entonces se introducen fuerzas horizontales en el objetivo, que excitan las ondas de cizallamiento SH. Las ondas de cizallamiento SH se configuran a este respecto hasta ahora por medio del efecto d15.
Las posibilidades y deformaciones correspondientes se muestran en la figura 1.
Los transductores ultrasónicos electromagnéticos, que se pueden utilizar igualmente para la introducción de fuerzas paralelas a la superficie en las superficies metálicas, representan una alternativa a los transductores piezoeléctricos. Esto se basa entre otros en el efecto Lorenz y magnetostricción, pero presupone la conductividad eléctrica del objeto a examinar / pieza de trabajo.
Las fibras piezoeléctricas se usan para implementar sensores delgados, flexibles y ligeros. Además, con ellos se puede mantener baja la contracción transversal de un transductor y principalmente conseguirse una deformación en la dirección longitudinal del eje de fibras. Un cambio de longitud de las fibras piezoeléctricas se puede producir a este respecto por dos posibilidades. Por un lado, debido a una polarización alternante en la dirección longitudinal del eje de fibras y con dedos de electrodos, en los que se aplica respectivamente una tensión eléctrica que cambia en alternancia, se puede generar un campo eléctrico dirigido respectivamente en paralelo a la polarización, por lo que se puede conseguir un cambio de longitud de las fibras piezoeléctricas (d33, figura 2 a la izquierda). Por otro lado, mediante una fibra piezoeléctrica polarizada en la dirección de espesor y mediante configuración de un campo eléctrico sobre el espesor de fibras se puede conseguir un cambio de longitud (d31, figura 2 a la derecha).
Al usar fibras piezoeléctricas dispuestas en paralelo, mediante la aplicación de una tensión alterna eléctrica se puede conseguir un cambio de longitud a lo largo de la dirección de fibras. Una disposición semejante se puede usar preferiblemente para la configuración de ondas de compresión (ondas longitudinales) en las superficies de pieza de trabajo o componentes, que se propagan en la dirección de fibras (figura 3).
El uso de fibras en las capas individuales en un plano común para la excitación dirigida de nodos de onda determinados es el estado de la técnica. Los transductores monocapa con fibras piezoeléctricas son adquiribles comercialmente. Con las técnicas conocidas solo es posible de forma muy ineficaz una configuración de ondas de cizallamiento SH en las piezas de trabajo o los componentes. Además, existen déficits al mantener las direcciones axiales de polarización preferidas, de modo que no se reconocen defectos determinados, en particular grietas, con seguridad suficiente. Así por el documento US 5625149 A se conoce un transductor ultrasónico en tecnología multicapa.
El documento EP 1983584 A2 se refiere a un actuador composite de fibras piezoeléctrico.
Un dispositivo composite piezoeléctrico se describe en el documento US 2008/0143216 A1.
Los composites piezoeléctricos 1-3 se dan a conocer en "1-3 Piezo Composites & transducers for Ultrasound Applications"; 27 de abril de 2014; páginas 1-8; YP055206S34; en URL:http://www.smartmaterial.com/mcdia/Datasheet/13K_V2.0-2014.pdf".
Los composites para un control de estructuras se describen en el documento US 6048622 A.
El documento DE 19861017 A1 se refiere a un transductor de potencia ultrasónico.
Por ello, el objetivo de la invención es especificar una disposición mejorada con elementos transductores piezoeléctricos, con la que sea posible una configuración mejorada de las ondas de cizallamiento, en particular ondas de cizallamiento SH, con las que se pueda elevar la sensibilidad en el ensayo no destructivo y en la supervisión de estado.
Según la invención este objeto se consigue con una disposición de transductores piezoeléctricos que presenta las características de la reivindicación 1. Configuraciones y perfeccionamientos ventajosos de la invención se pueden realizar con las características designadas en las reivindicaciones dependientes.
En la disposición según la invención para el ensayo de materiales no destructivo, con la que se pueden emitir y detectar ondas de cizallamiento en superficies elásticas de componentes o piezas de trabajo, los elemento transductores piezoeléctricos están dispuestos unos sobre otros en varios planos y los elementos transductores piezoeléctricos, que están dispuestos en planos adyacentes, se operan respectivamente de forma opuesta. Esto significa que en un plano se provoca un alargamiento y en el plano adyacente simultáneamente un acortamiento de la longitud de uno o varios elementos transductores piezoeléctricos en al menos una dirección axial. A este respecto, los elementos transductores piezoeléctricos son fibras piezoeléctricas y/o elementos piezoeléctricos en forma de plaquitas, que están conectados con un material elásticamente deformable o están embebidos en él. El material elásticamente deformable puede ser un polímero apropiado, p. ej. poliimida o polietileno.
Las fibras piezoeléctricas deben estar orientadas respectivamente en un plano en paralelo entre sí y las fibras piezoeléctricas en un plano adyacente deben estar orientadas de forma inclinada en un ángulo respecto a las fibras piezoeléctricas, que están dispuestas en el respectivo otro plano, Es preferible una orientación decalada en 90° de las fibras piezoeléctricas en los planos adyacentes.
En las fibras piezoeléctricas, que están dispuestas en los planos adyacentes, pueden estar presentes electrodos con una orientación que está inclinada en un ángulo respecto a los ejes longitudinales de fibras.
Los electrodos deberían estar orientados preferiblemente de forma inclinada en 45° respecto a los ejes de fibras. En los elementos piezoeléctricos en forma de plaquitas, que están dispuestos en planos adyacentes, pueden estar presentes electrodos con una orientación que está inclinada en un ángulo entre sí. Los electrodos pueden estar orientados de forma similar a las fibras piezoeléctricas.
En la invención existe la posibilidad de usar fibras piezoeléctricas orientadas correspondientes en un plano y un elemento transductor piezoeléctrico en forma de plaquita en un plano adyacente.
En los elementos transductores piezoeléctricos individuales, es decir, fibras y plaquitas, pueden estar presentes varios electrodos que están dispuestos a una distancia entre sí. Preferiblemente los electrodos presentan distancias de diferente tamaño entre sí.
La disposición puede estar configurada preferiblemente de forma rectangular o cuadrada.
Los elementos transductores piezoeléctricos en forma de plaquitas deben presentar un espesor con el que se puede conseguir un estiramiento o acortamiento en el caso de tensión eléctrica aplicada y/o configuración de al menos un campo eléctrico en al menos una dirección axial. Así se puede modificar un elemento transductor piezoeléctrico en forma de placa por las fuerzas que actúan en un espesor, de modo que en el caso de una compresión se reduce el espesor y se consigue un alargamiento del elemento transductor en forma de plaquitas. En el caso de efecto de fuerza opuesto correspondientemente de uno o varios campos eléctricos se puede aumentar el espesor, lo que conduce a un acortamiento.
Una disposición según la invención está conectada con una pieza de trabajo o componente de manera duradera por adherencia de materiales y/o en arrastre de forma, de modo que es posible un ensayo y supervisión permanente del estado.
La invención utiliza las relaciones conocidas a partir de la teoría de laminado, a fin de conseguir adicionalmente una anisotropía en el compuesto transductor mediante las disposiciones de fibras piezoeléctricas en diferente orientación y/o elementos en forma de plaquitas y en varias capas y por consiguiente posibilitar de forma dirigida deformaciones de la disposición y de los elementos transductores, que no son posibles en el material macizo (homogéneo).
El cizallamiento se puede conseguir igualmente por el uso de fibras, que están colocadas en determinadas direcciones entre sí, o por la estructuración de electrodo dirigida.
Mediante el uso de dos capas del material activo piezoeléctricamente, que están orientadas por ejemplo a lo largo de las diagonales en el caso de una superficie base de transductor cuadrada, se puede conseguir un cizallamiento a lo largo de una diagonal mediante aplicación de campos eléctricos orientados de forma opuesta de las dos capas. Mediante la inversión del signo/polaridad de los respectivos campos eléctricos se puede conseguir un cizallamiento a lo largo de las otras diagonales.
La funcionalidad descrita aquí para el efecto piezoeléctrico directo (deformación por aplicación de una tensión eléctrica) se puede invertir (efecto inverso, tensión eléctrica debido a deformación por cizallamiento).
Como otros transductores piezoeléctricos se puede usar de forma estática una disposición según la invención y utilizarse de forma dinámica para la excitación o detección de ondas elásticas.
A continuación se debe explicar la invención más en detalle a modo de ejemplo.
A este respecto muestran:
Figura 1 en representación esquemática en perspectiva deformaciones posibles que se pueden provocar por la influencia de campos eléctricos en un elemento transductor piezoeléctricos cúbico;
Figura 2 posibilidades para una excitación eléctrica a través de varios electrodos con un elemento transductor piezoeléctrico utilizable en la invención;
Figura 3 posibilidades para la configuración de ondas de compresión con varias fibras piezoeléctricas dispuestas en un plano y en paralelo entre sí y
Figura 4 un ejemplo de una disposición según la invención, en la que las fibras piezoeléctricas están presentes de forma paralela entre sí en un plano y en un plano adyacente fibras piezoeléctricas con diferente orientación angular.
En la figura 2 se muestra un ejemplo de un elemento transductor piezoeléctricos 2, que puede ser una fibra o en forma de placa, en el que a lo largo de la longitud están dispuestos varios electrodos 3 en los que se puede aplicar respectivamente una tensión eléctrica. En la representación izquierda no se aplica ninguna tensión eléctrica, de modo que el elemento transductor 2 presenta la longitud L. En los dos estados montados más a la derecha, se aplican tensiones eléctricas en los electrodos 3, de modo que en la representación central está alargada la longitud L en una cantidad AL y en la representación derecha está acortada en AL.
En la figura 3 están representadas posibles deformaciones de fibras piezoeléctricas que están dispuestas en paralelo entre sí y en un plano. En el estado de partida se mantiene una forma cuadrada, en el caso de tensiones eléctricas aplicados correspondientemente en los electrodos se pueden alargar las fibras piezoeléctricas (representación central), de modo que se consigue una forma rectangular. En el caso de otra conexión de tensión eléctrica se acortan las fibras piezoeléctricas (representación derecha), por lo que se consigue de nuevo una forma rectangular que tiene otras longitudes de arista al contrario a la representación central.
En la figura 4 se muestra una posibilidad para una disposición según la invención, que está formada con fibras piezoeléctricas, de forma esquemática, con un estado de partida y un estado alcanzable por deformación en el que se pueden emitir las ondas de cizallamiento SH.
En la figura 4 totalmente a la izquierda se muestran de forma esquemática una sobre otra como capa 1 y 2 varias fibras piezoeléctricas dispuestas en paralelo entre sí con su orientación de fibras en dos planos. Se puede reconocer claramente que la orientación de las fibras en los dos planos, es decir, la capa 1 y 2, está seleccionada de forma perpendicular entre sí. Las dos capas se disponen una sobre otra para una disposición 1 según la invención, lo que se desprende esquemáticamente de la representación central y representa el estado de partida, en el que no actúa ningún campo eléctrico y no están conectadas tensiones eléctricas. Pero si se aplica una tensión eléctrica y actúa al menos un campo eléctrico, así se acortan las fibras piezoeléctricas en un plano (capa 1), mientras que se alarga simultáneamente en el otro plano (capa 2). De este modo se provoca una deformación como se muestra en la representación derecha de la figura 4. En el caso de acoplamiento o fijación correspondiente de una disposición 1 semejante se pueden emitir las ondas de cizallamiento SH en una pieza de trabajo o componente, cuando cambia la deformación varias veces entre el estado deformado y el de partida, lo que se puede conseguir por influencia correspondiente de la tensión eléctrica. Se puede influir en la dirección de la deformación mediante la selección del acortamiento o alargamiento de los elementos transductores piezoeléctrico 2, que en este caso son las fibras, en los distintos planos. Así se puede seleccionar una vez un alargamiento en el plano superior con un acortamiento en el plano inferior o correspondientemente a la inversa en los planos.
A este respecto, una disposición 1 según la invención se puede presionar con una fuerza suficiente contra una superficie de una pieza de trabajo o componente. Pero, como se comenta en la parte general de la descripción, también existe la posibilidad de fijar la disposición 1 por adherencia de materiales y/o en arrastre de forma en ella.
En principio, en los planos también se puede usar respectivamente un elemento transductor piezoeléctrico en forma de plaquita correspondiente , donde este se acorta en el un plano mediante conexión de tensión eléctrica y simultáneamente en el plano dispuesto por debajo o por encima se alarga un elemento piezoeléctrico en forma de plaquita.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Disposición para el ensayo de materiales no destructivo, con la que se emiten y detectan ondas de cizallamiento en superficies elásticas de componentes o piezas de trabajo, con una disposición (1) de elementos transductores piezoeléctricos y un componente o pieza de trabajo, en la que los elementos transductores piezoeléctricos (2) están dispuestos uno sobre otro en varios planos y los elementos transductores piezoeléctricos (2) son fibras piezoeléctricas y/o elementos piezoeléctricos en forma de plaquitas, que están conectados con un material elásticamente deformable o están embebidos en él; y
las fibras piezoeléctricas están orientadas respectivamente en un plano en paralelo entre sí y las fibras piezoeléctricas en un plano adyacente están orientadas de forma inclinada en un ángulo respecto a las fibras piezoeléctricas que está dispuestas en el respectivo otro plano,
o
los elementos transductores piezoeléctricos en forma de plaquitas presentan un espesor con el que se puede conseguir un estiramiento o acortamiento en el caso de tensión eléctrica aplicada y/o configuración de al menos un campo eléctrico en al menos una dirección axial,
y
los elementos transductores piezoeléctricos (2), que están dispuestos en planos adyacentes, se pueden operar respectivamente de manera opuesta entre sí, de modo que en un plano se provoca un alargamiento y en el plano adyacente se provoca simultáneamente un acortamiento de la longitud de uno o varios elementos transductores piezoeléctricos (2) en al menos una dirección axial y la disposición (1) está conectada de manera duradera por adherencia de materiales y/o en arrastre de forma con la pieza de trabajo o el componente.
2. Disposición según la reivindicación 1, caracterizada porque en las fibras piezoeléctricas, que están dispuestas en planos adyacentes, están presentes electrodos con una orientación que está inclinada en un ángulo respecto a los ejes longitudinales de fibras.
3. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en los elementos piezoeléctricos en forma de plaquitas, que están dispuestos en planos adyacentes, están presentes electrodos (3) con una orientación que está inclinada respectivamente en un ángulo entre sí.
4. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque en los elementos transductores piezoeléctricos (2) individuales están presentes varios electrodos (3) que están dispuestos a una distancia entre sí.
5. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las distancias entre los electrodos (3) son de diferente tamaño.
6. Disposición según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la disposición (1) está configurada de forma rectangular o cuadrada.
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