1.1Introducción a los ensayos por corrientes de Foucault
El magnetismo, el principio subyacente detrás de los motores y generadores eléctricos, los relés y los altavoces estereofónicos, también es la fuerza que permite una categoría importante de herramientas END denominadas instrumentos de ensayos por corrientes de Foucault. El ensayo por corrientes de Foucault (EC) es un método sin contacto para inspeccionar piezas metálicas.
Las corrientes de Foucault son campos de corriente magnética alternada que se crean en el momento que una corriente eléctrica alterna pasa a través de una o más bobinas en un montaje de sonda. Cuando la sonda es colocada sobre la pieza bajo inspección, el campo magnético alternado induce las corrientes parásitas (de Foucault) a través de la pieza bajo ensayo. Las discontinuidades o variaciones en las propiedades de la pieza bajo ensayo cambian la circulación de las corrientes de Foucault, y es ahí que son detectadas por la sonda de inspección. Esto permite medir el espesor del material o detectar defectos como grietas y corrosión.
Con el transcurso de los años, la tecnología de sonda y el procesamiento de datos han avanzado hasta el punto de hacer destacar los ensayos por corrientes de Foucault como rápidos, simples y precisos. La tecnología ahora es ampliamente usada en los sectores industriales (aeroespacial, automotor, petroquímico y de generación de energía) con el fin de detectar los defectos superficiales y subsuperficiales (cercanos a la superficie) en materiales de aleación de aluminio, acero inoxidable, cobre, titanio, latón y superaleaciones austeníticas de base níquel-cromo (nombre comercial Inconel®), o hasta en aceros al carbono (sólo en el caso de defectos superficiales). En este artículo, se abordarán los ensayos por corrientes de Foucault, su funcionamiento, como también las aplicaciones y los métodos de ensayo más comunes. Es posible hallar más información sobre los ensayos por corriente de Foucault a través del presente tutorial.
¿Cómo funcionan las corrientes de Foucault?
Los ensayos por corrientes de Foucault se basan en un fenómeno físico de inducción electromagnética. En una sonda de corrientes de Foucault, circulan corrientes alternadas a través de bobinas de hilo metálico y generan un campo magnético oscilante. Si la sonda y su campo magnético son puestos cerca de un material conductor, como una pieza metálica, la circulación ondulante de los electrones, conocida como corrientes de Foucault o parásitas, inicia su desplazamiento a través del metal como los remolinos de agua en una corriente. El hecho de que la corriente de Foucault circule a través del metal genera a su vez su propio campo magnético, cuya interacción con la bobina y su campo se produce por inductancia mutua.
Los cambios en el espesor del metal o los defectos, como el agrietamiento cerca de la superficie, interrumpen o alteran tanto la amplitud como el patrón de la corriente de Foucault, así como el campo magnético resultante. Esto, a su vez, afecta el movimiento de los electrones en la bobina cuando varía la impedancia eléctrica de la bobina. El instrumento de corrientes de Foucault traza los cambios en la amplitud de la impedancia y el ángulo de fase: información útil que puede ser usada por operadores capacitados para identificar cambios en la pieza bajo ensayo.
La densidad de las corrientes de Foucault es más alta cerca de la superficie de la pieza, por lo que es la región de mayor resolución en el ensayo. La profundidad de penetración estándar se define como la profundidad en la que la densidad de las corrientes de Foucault está al 37% de su valor superficial, lo que a su vez puede calcularse a partir de la frecuencia y la permeabilidad magnética del ensayo y de la conductividad del material bajo ensayo. Por consiguiente, las variaciones en la conductividad del material bajo ensayo, su permeabilidad magnética, la frecuencia de los impulsos de CA generados por la bobina y la geometría de esta última, todos tienen efectos en la sensibilidad, la resolución y la penetración del ensayo.
Existen varios factores que pueden afectar las capacidades de una inspección por corrientes de Foucault. Las corrientes de Foucault que se desplazan a través de un material con valores de conductividad más elevados son más sensibles para los defectos superficiales; sin embargo, presentan una menor penetración en el material, con una penetración que también puede depender de la frecuencia del ensayo. Las frecuencias de ensayo superiores (o más altas) incrementan la resolución de la superficie cercana, pero limitan la profundidad de la penetración a diferencia de las frecuencias de ensayo inferiores (o más bajas) que incrementan la penetración. Las bobinas más grandes pueden inspeccionar un mayor volumen de material desde cualquier posición dada, ya que el campo magnético penetra de forma más profunda en la pieza bajo ensayo, a diferencia de las bobinas más pequeñas que son más sensibles a los pequeños defectos. Las variaciones presentes en la permeabilidad de un material generan ruido, el cual puede limitar la resolución de los defectos debido a variaciones de fondo mucho más elevadas.
Si bien la conductividad y la permeabilidad son propiedades del material bajo ensayo que no están bajo el control del operador, la frecuencia, el tipo de bobina y el tamaño de esta última pueden ser seleccionados en base a los requisitos del ensayo. En un ensayo específico, la resolución está determinada por el tipo de sonda, mientras que la capacidad de detección está controlada por las características del material y el instrumento. Algunas inspecciones implican el escaneo mediante múltiples frecuencias para optimizar los resultados, o la inspección con múltiples sondas a fin de obtener la mejor resolución y penetración necesarias para detectar todos los posibles defectos. Siempre es importante seleccionar la sonda adecuada para cada aplicación a fin de optimizar el rendimiento del ensayo.
Equipamiento de ensayo por corrientes de Foucault
A pesar de que algunos instrumentos de corriente de Foucault más antiguos usaban pantallas de medidores analógicos simples, el formato estándar ahora es un gráfico de plano de impedancia que representa gráficamente la resistencia de la bobina en el eje X versus la reactancia inductiva en el eje Y. Las variaciones en el gráfico corresponden a las variaciones en la pieza bajo ensayo. Por ejemplo, la siguiente presentación visual muestra una configuración de inspección de grietas superficiales en aluminio. La curva superior representa una grieta superficial de 0,04 pulgadas de profundidad, la curva central es una grieta de 0,02 pulgadas de profundidad y la curva más pequeña es una grieta de 0,008 pulgadas de profundidad. La línea horizontal representa el despegue/levantamiento en el que la sonda ha sido «puesta a cero» (equilibrada) en la pieza de aluminio, y cuando se levanta en el aire, la señal se mueve directamente hacia la izquierda. Esta inspección se lleva a cabo con una sonda de estilo lápiz/lapicero.
Esta presentación visual puede ser considerada la calibración del instrumento. Una vez que los parámetros están determinados, no deberían existir cambios durante la inspección. Las mediciones en la inspección son completamente independientes en lo referente a la comparación de la señal contra la calibración de referencia.
Otro ensayo común implica la medición de revestimientos no conductores como las pinturas que se aplican a los metales. La presentación visual a continuación muestra un revestimiento no metálico en aluminio. Para este tipo de aplicación, la sonda es «puesta a cero» (equilibrada) en el aire y, luego, es colocada sobre la muestra. La línea superior muestra la señal en el aluminio sin ningún revestimiento. La segunda línea es un revestimiento de 0,004 pulg. y, a continuación, un revestimiento de 0,008 pulg. La línea inferior es un revestimiento de 0,012 pulg. Para crear esta imagen, la posición de la presentación visual debe ser cambiada entre cada medición para visualizar una separación entre cada señal. Después de que la calibración haya sido completada, el inspector mide el material y visualiza la distancia que recorre la señal a través de la pantalla. Las alarmas pueden ser usadas para informar al inspector cuando el revestimiento es muy grueso o delgado.
Otra forma de medir el espesor de un recubrimiento no conductor en un material conductor es por medio de la capacidad de medición de conductividad de la serie de instrumentos NORTEC™ 600 de Evident (modelos N600C, N600S y N600D). En esta medición, se usa una sonda de conductividad especial que muestra la siguiente presentación visual en lugar de aquella de impedancia estándar (mostrada arriba). Esta medición se usa de forma más habitual para determinar la conductividad de un material; pero, también proporciona el espesor de un revestimiento, considerado el «despegue» del material, o qué tan lejos está la sonda por encima de la superficie del material conductor. Este ejemplo fue un revestimiento de 0,004 pulgadas en la pieza de aluminio bajo ensayo.
Los instrumentos de ensayos por corrientes de Foucault pueden llevar a cabo una amplia variedad de ensayos, según el tipo de sonda que se use. La selección cuidadosa de la sonda ayudará a optimizar el rendimiento de los ensayos.
Tipos comunes de sondas por corrientes de Foucault
A continuación, se listan algunas sondas usadas comúnmente para los ensayos por EC, conjuntamente a una descripción de los tipos de defectos a los que apuntan y las piezas que generalmente son usadas en las inspecciones.
Sondas de superficie/superficiales: Las sondas de o para superficie(s), usadas para identificar defectos sobre y por debajo de las superficies metálicas, presentan un diámetro más amplio a fin de incorporar frecuencias más bajas para una penetración más profunda o para el escaneo de áreas más grandes.
Sondas de estilo lápiz/lapicero: Son sondas de diámetro más pequeño que albergan bobinas para altas frecuencias a fin de ofrecer una alta resolución en defectos cercanos a la superficie.
Sondas para perforaciones de remaches: Diseñadas para inspeccionar el interior de orificios creados por los remaches, estas sondas pueden girar de forma manual o automática al usar un escáner rotativo.
Sondas de enclave: Son sondas diseñadas para inspeccionar orificios o perforaciones de remaches de aeronaves sin retirar el remache.
Sondas de deslizamiento: También son sondas usadas para inspeccionar orificios o perforaciones de remaches en aeronaves, con índices de escaneo superiores a las sondas de enclave.
Sondas de D. I.: Las sondas de diámetro interno (D. I.) son usadas en las inspecciones de intercambiadores de calor y tuberías de metal similar a partir de su interior.
Sondas de D. E.: Las sondas de diámetro externo (D. E.)son usadas en las inspecciones de tuberías y barras a partir de su exterior, con la pieza bajo ensayo que pasa a través de las bobinas.
Es posible consultar una lista completa sobre los tipos de sondas de corriente de Foucault y su funcionamiento a partir de este enlace.
Aplicaciones comunes
Los ensayos por corrientes de Foucault se usan ampliamente en la industria aeroespacial como también en otros entornos de fabricación y servicios que requieren la inspección de metales delgados a fin de detectar posibles problemas relacionados con la seguridad o la calidad. Además de la detección de grietas en láminas y tuberías de metal, los ensayos por corrientes de Foucault pueden usarse para ciertas mediciones de espesor en metales, como para identificar la corrosión debajo de la primera capa «piel» de la aeronave, medir la conductividad y monitorizar los efectos del tratamiento térmico, además de determinar el espesor de revestimientos no conductores sobre sustratos conductores. Tanto los instrumentos portátiles de campo como los de sistema fijo están disponibles para satisfacer una amplia variedad de necesidades de ensayo.
Los ensayos por corrientes de Foucault permiten examinar grandes áreas con alta rapidez y no se requiere el uso de acoplantes. Adicionalmente a la detección de grietas/agrietamiento, los ensayos por corrientes de Foucault también pueden ser usados para verificar la dureza y la conductividad del metal en aplicaciones en las que dichas propiedades son de interés, y para medir capas delgadas de revestimientos no conductores, como la pintura en piezas metálicas. No obstante, los ensayos por corrientes de Foucault se limitan a materiales que conducen electricidad y, por tanto, pueden usarse en plásticos. En algunos casos, los ensayos por corrientes de Foucault y ultrasonido se usan juntos como técnicas complementarias; cabe señalar que la técnica de corrientes de Foucault posee una ventaja cuando se trata de ensayos rápidos en superficies, y el ultrasonido cuando se trata de una mejor penetración en profundidad.
A continuación, se ha incluido una lista de algunas de las aplicaciones de ensayo por corrientes de Foucault más comunes:
Inspección de soldaduras: En varias inspecciones de soldaduras, se usan los ensayos no destructivos por ultrasonido para subsuperficies, junto con un método complementario por corrientes de Foucault para escanear la superficie de las grietas superficiales abiertas en la pasada de terminación y en las zonas afectadas por el calor (HAZ).
Ensayos de conductividad: La capacidad de los ensayos por corrientes de Foucault en la medición de la conductividad puede usarse para identificar y clasificar aleaciones ferrosas y no ferrosas, y para verificar el tratamiento térmico.
Inspección de superficies: Es posible identificar fácilmente grietas superficiales en piezas mecanizadas y materiales metálicos por medio de las corrientes de Foucault. Esta aplicación cubre la inspección del área alrededor de los remaches de aeronaves y otras aplicaciones críticas.
Detección de corrosión: Los instrumentos de corrientes de Foucault pueden ser usados para detectar y cuantificar la corrosión en el interior de un metal delgado, como la capa (piel) de aluminio de un avión. Asimismo, las sondas de baja frecuencia pueden usarse para localizar la corrosión en la segunda y tercera capa metálica que son imposibles de inspeccionar por medio del ultrasonido.
Inspección de remaches de pernos: El agrietamiento que se forma al interior de los remaches de pernos puede ser detectado por medio de sondas dedicadas a las perforaciones de pernos, las cuales se albergan en escáneres rotativos.
Inspección de tubos: Tanto la inspección de tubos en líneas de procesamiento a través de la fase de fabricación como la inspección de tuberías en campo (p. ej., en los intercambiadores de calor) son aplicaciones comunes de las corrientes de Foucault. Es posible detectar tanto grietas como variaciones de espesor.
A través de este enlace, es posible obtener un lista extensa de aplicaciones de ensayos por corrientes de Foucault.
Estándares de referencia para los ensayos por corrientes de Foucault
Un sistema de corrientes de Foucault, compuesto de un instrumento y una sonda, debe ser siempre calibrado de acuerdo con los estándares/bloques de referencia desde el inicio de un ensayo. Este proceso implica identificar la representación de una línea de base a partir de una pieza bajo ensayo específica y observar cómo ésta cambia bajo las condiciones supuestamente identificables por el ensayo. En las aplicaciones de detección de defectos, este proceso de calibración implica por lo general el uso de estándares/bloques de referencia del mismo material, forma y tamaño que la pieza bajo ensayo; además, contienen defectos artificiales como cortes de sierra, taladros o paredes fresadas para simular fallas. En las aplicaciones de medición de espesores, los patrones de referencia consisten en varias muestras de espesores conocidos. El operador observa la respuesta a partir de los estándares de referencia y, después, compara las indicaciones de las piezas bajo ensayo con estos patrones de referencia para categorizarlas. La calibración adecuada por medio de los estándares de referencia apropiados es una parte esencial en cualquier procedimiento de ensayo por corrientes de Foucault.
Corrientes de Foucault multielementos
El ensayo por corrientes de Foucault multielementos (ECA) es una tecnología que permite usar de forma simultánea múltiples bobinas de corrientes inducidas, ubicadas lado a lado en el mismo montaje de sonda. Cada bobina produce una señal relativa a la fase y amplitud de la estructura debajo de ella. Se hace referencia a estos datos en una posición y tiempo de codificación representados gráficamente en una representación C-scan, que muestra estructuras en una vista plana. Además de permitir la visualización a través de representaciones C-scan, la tecnología ECA ofrece una cobertura de área más grande en un solo paso, al mismo tiempo que mantiene una alta resolución. La tecnología ECA puede permitir el uso de accesorios más simples y también puede simplificar la inspección de formas complejas a través de sondas personalizadas, construidas para adaptarse al perfil de la pieza bajo ensayo.
