Prueba ultrasónica de fundiciones de hierro dúctil para verificar la nodularidad

Mar 25, 2023

Figura 1: Fundiciones automotrices típicas de hierro dúctil

Figura 2: Valores de velocidad del sonido para hierro fundido

Figura 3: Instrumento de prueba ultrasónico y software adaptado

Figura 4: Configuración de prueba en un tanque de inmersión

Figura 5: Principio de medición de la velocidad del sonido

Figura 6: Se resuelven los ecos de la fundición de referencia y se establecen las posiciones de puerta.

Figura 7: Los límites de velocidad y espesor para la fundición a probar se calculan y se ingresan en el diálogo de configuración de prueba ultrasónica.

Figura 8: El número de serie, el grosor y la velocidad de la colada de referencia se ingresan en el diálogo de calibración.

Figura 9: TOF 1 se mide sin fundición en el accesorio (solo agua).

Figura 9: TOF 1 se mide sin fundición en el accesorio (solo agua).

Figura 10: TOF 2 se mide con la fundición en posición en el accesorio.

Figura 10: TOF 2 se mide con la fundición en posición en el accesorio.

Figura 11: Después de un ajuste exitoso, se muestra el valor medido y el sistema indica "Calibración OK".

Figura 11: Después de un ajuste exitoso, se muestra el valor medido y el sistema indica "Calibración OK".

Figura 12: Un operador cargando manualmente una fundición.

Figura 13: Descarga automatizada de una pieza fundida por una unidad de recogida y colocación.

Figura 14: Interfaz del operador que muestra el gráfico de tendencias, los contadores de resultados, los valores medidos y los LED de secuencia de prueba.

Figura 15: Interfaz de usuario multicanal que muestra cuatro canales activos.

Figura 16: interfaz de defectos que muestra la configuración de la prueba de laminación.

Figura 17: Interfaz de falla que muestra la configuración de la prueba de interfaz.

El hierro dúctil es un material de fundición de hierro y carbono cuya matriz incluye carbono en forma de partículas de grafito nodular. Los nódulos de grafito redondeados en la matriz de hierro dúctil ofrecen una mayor resistencia a la concentración de tensiones en comparación con las escamas de grafito (como en el hierro fundido gris) y, por lo tanto, inhiben la creación de grietas.

Los componentes automotrices críticos para la seguridad fundidos en hierro dúctil deben probarse para verificar que incluyan el porcentaje correcto de nodularidad, ya que una falla catastrófica de una de estas piezas puede provocar daños, lesiones e incluso la muerte. Los fabricantes emplean rutinariamente un método de prueba destructivo, análisis de microestructura, para verificar la nodularidad correcta de las piezas de muestra. El análisis de microestructura generalmente se lleva a cabo en el laboratorio metalúrgico y, en el mejor de los casos, representa solo una pequeña muestra de la producción total.

Dado que los componentes automotrices fundidos se utilizan en aplicaciones críticas para la seguridad, como en los sistemas de frenado y dirección, se debe verificar la nodularidad de cada componente fundido. Debido a que el análisis de microestructura es un método destructivo, este método hace que los componentes probados no sean reparables. En consecuencia, se prefiere un método de prueba no destructivo, que permita probar el 100% de los componentes en un lote de producción.

La relación entre la nodularidad y la velocidad acústica en hierro dúctil es bien conocida. En general, la velocidad del sonido disminuye a medida que disminuye el porcentaje de nodularidad. Las fundiciones que producen fundiciones de hierro dúctil establecen límites de aceptación/rechazo de la velocidad del sonido para garantizar que las fundiciones tengan la nodularidad requerida.

Existe una diferencia consistente en la velocidad del sonido entre el hierro puro, el hierro fundido nodular y el hierro fundido gris. Por lo general, el hierro elemental puro tiene una velocidad de aproximadamente 0,232 pulgadas/microsegundo (pulg/µs), el hierro nodular tiene una velocidad de aproximadamente 0,222 pulg/µs y el hierro gris tiene una velocidad de aproximadamente 0,192 pulg/µs. Las velocidades exactas para una aplicación determinada varían según la composición de la aleación, la estructura del grano y otras variables del proceso.

Debido a la relación entre la velocidad del sonido y la nodularidad, las pruebas ultrasónicas no destructivas son una herramienta ideal para medir la nodularidad de las piezas fundidas. El sistema ultrasónico se ajusta utilizando fundiciones de "referencia" representativas con valores de nodularidad conocidos. La geometría de la fundición de referencia utilizada como referencia debe ser dimensionalmente representativa de las piezas de producción que se probarán.

La medición ultrasónica precisa de la velocidad del sonido requiere que el espesor de la fundición de referencia en el punto de medición se mida con precisión utilizando un micrómetro o un calibrador. Este valor se ingresa en el software de medición y se usa para calcular la velocidad del sonido. La medición precisa de la velocidad no es posible si se desconoce el espesor en el punto de prueba.

Los medidores de espesor ultrasónicos y los detectores de fallas con un transductor de pulso-eco de un solo cristal se pueden usar para medir manualmente la velocidad del sonido. Si bien la prueba manual es útil para verificar y clasificar pequeños lotes de piezas en un modo de clasificación rápida, esta técnica es relativamente lenta y está sujeta a la variabilidad del operador en comparación con un sistema de inspección automático dedicado. La prueba manual no es deseable ni práctica para la inspección de fundición de gran volumen en una línea de procesamiento de fundición.

La inspección de fundición automatizada en la línea de producción requiere un sistema que consta de un instrumento de prueba ultrasónico, un software especialmente adaptado, transductores ultrasónicos y un bus de entrada/salida (IO) digital.

Además del hardware y el software ultrasónicos, el sistema utiliza un tanque de inmersión, accesorios de prueba específicos de número de pieza de precisión, un medio para cargar y descargar las piezas (la carga y descarga se puede realizar de forma manual o automática mediante un robot o recoger y descargar). unidad de lugar), y un sistema de control para administrar la secuencia de prueba y separar las piezas fundidas en función de los resultados de la prueba.

Los accesorios de prueba específicos del número de pieza de precisión se montan en el tanque de inmersión y se utilizan para colocar las piezas fundidas en relación con los transductores ultrasónicos. Dos transductores ultrasónicos opuestos están configurados en modo de captura de tono (o mediante transmisión); se mide el tiempo de vuelo entre los ecos ultrasónicos resultantes y se calcula la velocidad del sonido.

La ubicación de la prueba debe ser un área en la fundición donde se ubican dos superficies paralelas planas adyacentes. La precisión de la medición depende de la geometría de fundición repetible y el posicionamiento repetible de las piezas fundidas en relación con los transductores. La precisión mecánica y la limpieza de los accesorios son importantes para mantener resultados de prueba precisos. Eventualmente, los accesorios desgastados deben ser reparados o reemplazados.

El principio básico de la medición se muestra en la Figura 5. El tiempo de vuelo ultrasónico (TOF) entre los transductores del transmisor y el receptor se mide a través de la trayectoria del agua sin fundición en el accesorio (Figura 5; TOF 1). A continuación, se mide el tiempo de vuelo que representa la trayectoria del agua a ambos lados de la fundición más el tiempo necesario para que el sonido complete un viaje de ida y vuelta en la fundición (Figura 5; TOF 2). La velocidad del sonido se calcula en función del espesor de la pieza y los dos valores TOF medidos.

Debido a que la temperatura afecta la velocidad del sonido, las variaciones en la temperatura del agua del tanque de inmersión podrían causar una variación correspondiente en la precisión de las mediciones de la velocidad del sonido. Para minimizar este efecto, el sistema mide la velocidad del agua después de probar cada colada y utiliza esta información para compensar la medición de la velocidad de colada, proporcionando resultados precisos independientemente de las variaciones en la temperatura del agua. Las variaciones en la temperatura de la fundición también influirán en la precisión de la medición, y si la variación es extrema, se requiere un reajuste del sistema.

El sistema de medición de la velocidad del sonido se ajusta rápida y fácilmente (Figuras 6–11). Los ajustes de prueba específicos del número de pieza se pueden crear, almacenar y recuperar para su uso posterior. Se requiere una calibración periódica del sistema para mantener la estabilidad y la precisión. La calibración consiste en usar una fundición de referencia con nodularidad correcta confirmada para ajustar el sistema y confirmar que el sistema rechaza una segunda fundición de referencia que tiene una nodularidad incorrecta.

Cuando se completa el ajuste, el sistema cambia al modo de prueba y ahora se pueden probar las piezas fundidas de producción. La señal Ready for Test en el bus de E/S digital indica al operador o al sistema mecánico que se puede cargar la primera fundición. Los usuarios pueden lograr una tasa de inspección de 15 a 30 piezas fundidas por minuto, siendo la principal restricción la carga y descarga de las piezas fundidas.

Una por una, las piezas fundidas se cargan en el accesorio del tanque. El software reconoce la presencia de las piezas fundidas en función de los ecos ultrasónicos que se generan cuando se carga la pieza fundida y activa automáticamente cada medición. Las mediciones se comparan con los valores límite preestablecidos de velocidad y espesor, y el sistema genera una decisión de aceptación o rechazo como indicación en la pantalla y como señal de salida al sistema de control. Después de la prueba, las piezas fundidas se descargan del accesorio y se separan en grupos de aceptación y rechazo.

Durante las pruebas de producción, la secuencia de prueba se puede observar a través de los LED en la interfaz. Listo para la pieza, pieza en posición y la decisión de clasificación de aceptación/rechazo se muestran en los LED y se señalizan en el bus de E/S digital. Se muestran medidas numéricas de velocidad, espesor y velocidad del agua para cada colada probada. Los valores medidos para cada fundición se trazan en un gráfico de tendencias. Las piezas aceptadas y rechazadas, así como el total de piezas probadas, se cuentan y muestran mediante un contador de piezas en la interfaz del operador. Los resultados de las pruebas se pueden exportar en un archivo CSV para documentación y análisis fuera de línea.

Los sistemas multicanal permiten múltiples mediciones en la misma fundición, así como mediciones simultáneas en líneas de procesamiento independientes. Con la operación de canal independiente, el operador puede detener y ajustar un canal mientras los otros canales continúan probando.

Además de la medición de la velocidad y el espesor del sonido, también es posible dedicar canales seleccionados para realizar pruebas de fallas de pulso-eco en paralelo a la medición de la velocidad del sonido. Generalmente, hay dos tipos de pruebas de defectos que se aplican a las piezas fundidas.

La detección de laminación se utiliza para detectar defectos laminares en la sección transversal de una pieza utilizando una puerta de rechazo ubicada entre los ecos ultrasónicos de la pared frontal y posterior de la fundición. Las piezas fundidas que muestren pérdida del eco de la pared frontal o de la pared trasera, o señales positivas que excedan el nivel de la compuerta de falla, se etiquetarán como defectuosas y la pieza fundida puede ser rechazada.

La función de confirmación de colada monitorea la posición del eco de la pared frontal dentro de una puerta preestablecida para monitorear defectos de colada tales como vertido corto (falta de material en un lugar de colada determinado) y torsión (distorsión mecánica de la pieza). Las piezas fundidas que muestren pérdida del eco de la pared frontal se etiquetarán como defectuosas y se podrán rechazar.

La prueba ultrasónica proporciona un método confiable para medir la velocidad del sonido y, por lo tanto, verificar la nodularidad de las piezas de hierro dúctil fundido. La integración de la medición ultrasónica en un sistema de prueba automatizado en una línea de producción de fundición permite una inspección rápida y confiable del 100 % de las piezas de producción fundidas. Se requieren accesorios mecánicos precisos para ayudar a garantizar un posicionamiento uniforme de las piezas fundidas en relación con los transductores ultrasónicos. El software de aplicaciones permite a los usuarios ajustar fácilmente el sistema y proporciona resultados de prueba estables y precisos. Además de la medición de la velocidad del sonido, también se pueden detectar ciertos defectos de fundición utilizando transductores dedicados y un canal de defectos dedicado.

Ronald B. Peoples es ingeniero sénior de aplicaciones: sistemas e integración en Olympus Corp. de las Américas. Para obtener más información, llame al (814) 470-0169, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.olympus-ims.com.