PROCEDIMIENTO DE CONTROL ULTRASÓNICO.

EL PROCEDIMIENTO DE CONTROL ULTRASONORO EN LA INMERSION DE PIEZAS CON GEOMETRIA CILINDRICA CONSISTE EN UTILIZAR UN TRANSDUCTOR MULTIELEMENTOS QUE EMITE ONDAS ULTRASONORAS FOCALIZADAS EN LA PIEZA

, SIENDO LA FOCALIZACION REALIZADA SEGUN DOS MODOS DIFERENTES MEDIANTE UN DISPOSITIVO ELECTRONICO DE MANDO MULTIVIAS, SIENDO LOS DOS MODOS DE FOCALIZACION, LLAMADOS RESPECTIVAMENTE MODO DE FOCALIZACION ELECTRONICA Y MODO DE FOCALIZACION POR RETORNO TEMPORAL, SELECCIONADOS EN FUNCION DE LA PROFUNDIDAD DE LA ZONA DE ANALISIS CONSIDERADA. EL MODO DE FOCALIZACION POR RETORNO TEMPORAL SE ESCOGE PARA CONTROLAR LAS ZONAS CENTRALES LOCALIZADAS EN LAS PROFUNDIDADES MAS IMPORTANTES SITUADAS ALREDEDOR DEL EJE LONGITUDINAL DE LA PIEZA CILINDRICA. EL MODO DE FOCALIZACION ELECTRONICA SE ESCOGE PARA CONTROLAR LAS ZONAS INTERMEDIAS LOCALIZADAS EN LAS PROFUNDIDADES SITUADAS ENTRE LAS ZONAS CENTRALES Y UNA ZONA PERIFERICA DE LA PIEZA CILINDRICA

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E99401106.

Solicitante: SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION SNECMA.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 2, BOULEVARD DU GÉNÉRAL MARTIAL VALIN 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: BEFFY, LIONEL, FINK, ALEXANDRE MATHIAS, MANGENET, GERARD YVES, WU, FRANCOIS JEAN, MIETTE,VERONIQUE.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 6 de Mayo de 1999.

Fecha Concesión Europea: 15 de Septiembre de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de materiales por el empleo... > G01N29/28 (para establecer el acoplamiento acústico)
  • G01N29/26E
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de materiales por el empleo... > G01N29/30 (Disposiciones para la calibración o la comparación, p.ej. con objetos estándares)
  • G01N29/34B

Clasificación PCT:

  • SECCION G — FISICA > INSTRUMENTOS DE MUSICA; ACUSTICA > DISPOSITIVOS GENERADORES DE SONIDOS (juguetes musicales... > Métodos o dispositivos para transmitir, conducir... > G10K11/34 (por control eléctrico de sistemas de transductores, p. ej. dirigiendo un haz acústico)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de materiales por el empleo... > G01N29/26 (Disposiciones para la orientación o el barrido)

Clasificación antigua:

  • SECCION G — FISICA > INSTRUMENTOS DE MUSICA; ACUSTICA > DISPOSITIVOS GENERADORES DE SONIDOS (juguetes musicales... > Métodos o dispositivos para transmitir, conducir... > G10K11/34 (por control eléctrico de sistemas de transductores, p. ej. dirigiendo un haz acústico)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de materiales por el empleo... > G01N29/26 (Disposiciones para la orientación o el barrido)

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Irlanda, Finlandia, Chipre.

google+ twitter facebookPin it
PROCEDIMIENTO DE CONTROL ULTRASÓNICO.

Descripción:

Procedimiento de control ultrasónico.

La invención se refiere a un procedimiento de control ultrasónico en inmersión de piezas de geometría cilíndrica. Se aplica en particular a la detección de defectos internos en el volumen de palanquillas tales como palanquillas de titanio en aplicaciones aeronáuticas. Existen numerosos dispositivos de control de piezas por ultrasonidos que funcionan por transmisión o por reflexión. El control ultrasónico de piezas puede efectuarse utilizando una pluralidad de transductores acústicos elementales de focalización fija para detectar defectos a diferentes profundidades de la pieza. Cada transductor emite un haz de ultrasonidos focalizado a una profundidad predeterminada de la pieza a controlar. Los transductores tienen zonas focales situadas a profundidades crecientes que permiten controlar el volumen completo, desde la superficie hasta el centro de la pieza cilíndrica.

El control ultrasónico de piezas puede, igualmente, efectuarse utilizando una sonda acústica que incluye varios elementos transductores de focalización electrónica, focalización que se obtiene por aplicación de diferentes tiempos de retardo a las señales entregadas por cada transductor. Para realizar una imagen en profundidad de la pieza utilizando como fuente o como receptor una red de transductores, una dificultad importante proviene del hecho de que los ecos debidos a la reflexión sobre la microestructura del material son elevados con respecto a los ecos que provienen de los eventuales defectos y que aquellos ecos enmascaran los ecos de los defectos a identificar. El problema se agrava, todavía más, cuando la pieza tiene una forma compleja y/o una estructura heterogénea como es el caso esencialmente de las palanquillas de titanio.

Para resolver este problema, se conoce el utilizar una técnica calificada como amplificación ultrasónica de conjugación de fase, denominada también inversión temporal. Este procedimiento consiste, después de la emisión de un haz ultrasónico no o poco focalizado y la recepción del eco reenviado por el defecto a localizar, en remitir esta señal de eco después de una inversión temporal de su repartición en el tiempo y de su forma. Una aplicación de este procedimiento al control ultrasónico de piezas de revolución está descrito en el documento de patente francesa FR 2 698 170. Este procedimiento permite realizar una focalización óptima sobre eventuales defectos en piezas de estructura heterogénea tales como las piezas de titanio, pero presenta el inconveniente importante de exigir mucho tiempo para realizar la focalización del haz ultrasónico, lo que aumenta de forma importante el tiempo de control de las piezas con respecto a los procedimientos clásicos que utilizan la focalización electrónica.

El objetivo de la invención es paliar los inconvenientes de los procedimientos de control ultrasónico conocidos y realizar un procedimiento de control ultrasónico en inmersión que permite controlar piezas de geometría y de estructura interna compleja tales como palanquillas de titanio, siendo efectuado el control del volumen de la pieza en un mínimo de tiempo con una nivel de sensibilidad de detección constante y lo más elevado posible.

Para ello, el procedimiento de control según la invención consiste en utilizar un transductor multielemento que emite ondas ultrasónicas focalizadas en la pieza, siendo realizada la focalización según dos modos diferentes por medio de un dispositivo electrónico de mando multicanal, siendo seleccionados los dos modos de focalización, denominados respectivamente modo de focalización electrónica y modo de focalización por inversión temporal, en función de la profundidad de la zona a analizar considerada.

El modo de focalización por inversión temporal se escoge para controlar las zonas centrales localizadas a las profundidades mayores situadas alrededor del eje longitudinal de la pieza cilíndrica.

El modo de focalización electrónica se escoge para controlar las zonas intermedias localizadas a profundidades situadas entre las zonas centrales y una zona periférica de la pieza cilíndrica.

Según la invención, el procedimiento de control ultrasónico de una pieza de geometría cilíndrica es conforme a la reivindicación 1.

Otras particularidades y ventajas de la invención aparecerán claramente a continuación de la descripción dada a titulo de ejemplo no limitativo y hecha en relación con las figuras anexas que representan:

• la figura 1, una vista simplificada, en corte longitudinal, de un dispositivo de control ultrasónico, según la invención;

• la figura 2, una vista en corte transversal parcial de una rebanada de palanquilla a controlar, según la invención;

• la figura 3, un ejemplo de mancha focal de un transductor focalizado al interior de una pieza;

• la figura 4, un ejemplo de cronograma de las emisiones de ondas ultrasónicas en diferentes zonas de la pieza y para una rebanada de palanquilla,

• la figura 5, un esquema de principio de una vía de tratamiento asociada a un elemento del transductor multielemento en un dispositivo electrónico multicanal, según la invención.

La figura 1 muestra, en corte longitudinal, el dispositivo de control por ultrasonidos de una pieza de revolución, por ejemplo una palanquilla de titanio, según la invención.

Este dispositivo comprende una cubeta 1 llena de un líquido de acoplamiento acústico en la cual el nivel de la superficie es mantenido constante gracias, por ejemplo, a un sistema de rebosadero (no representado). En un deseo de simplificación, las canalizaciones de llenado y de vaciado han sido omitidas. En el interior de la cubeta 1 están sumergidos una pieza a controlar 2 y un transductor de ultrasonidos 3. Rodillos de arrastre 4 aseguran un centrado riguroso de la pieza de revolución 2 según su eje XX'. El transductor 3 es mantenido rigurosamente perpendicular al eje XX' por un soporte 6 que es, por otro lado, regulable, particularmente en altura. Además, y de forma conocida, el dispositivo incluye medios, no representados, para arrastrar en rotación la pieza 2 con una velocidad angular determinada y medios (7, 8) para desplazar longitudinalmente el transductor.

El transductor 3 es un transductor emisor/receptor multielemento constituido por pastillas piezoeléctricas organizadas según una matriz como se describe mas adelante.

La utilización de la cubeta de inmersión 1 presenta numerosas ventajas y, principalmente, evita poner en contacto el transductor con la pieza a controlar, estando asegurado el acoplamiento por el agua a la que se adicionan, eventualmente, productos tensoactivos tales como el aceite. No obstante, esta inmersión total no es obligatoria en el marco de la presente invención y el control puede ser asegurado colocando simplemente el transductor contra la pieza a controlar, por medio de una película delgada de acoplamiento.

El principio de medida utilizado se basa en la emisión de un tren de ondas ultrasónicas E que penetra en la pieza a controlar 2 y es reflejado R en parte en presencia de un defecto 9 en el espesor de la pieza. La frecuencia de emisión de los trenes de ondas sucesivos es denominada frecuencia de recurrencia de la medida. El control de la pieza de revolución 2 se realiza en continuo, estando la pieza en rotación.

El control se realiza por rebanadas sucesivas por desplazamiento longitudinal, paso a paso, del transductor 3. La figura 2 representa una vista en corte transversal parcial de una rebanada de la palanquilla a controlar.

Cada rebanada de la palanquilla es dividida en coronas anulares situadas a profundidades de palanquilla diferentes, siendo cada corona dividida a su vez en sectores angulares sucesivos repartidos regularmente. Cada sector angular constituye una zona de análisis. En la figura 2, están representadas seis coronas. La primera corona corresponde a una zona periférica del palanquilla, controlada de manera conocida por uno o varios transductores monoelemento de pequeñas dimensiones focalizados cada uno a una profundidad dada.

Las dos coronas siguientes corresponden a zonas intermedias FE1 y FE2 de profundidad media P1, respectivamente P2. Las tres últimas coronas corresponden a las zonas más profundas RT1, RT2, RT3 de profundidades respectivas P3, P4, P5.

El procedimiento de control ultrasónico de la palanquilla consiste en emitir ondas ultrasónicas focalizadas en la pieza, focalización que es realizada según dos modos diferentes seleccionados en función de la profundidad de la zona de la pieza a controlar.

Para controlar las zonas FE1 y FE2 situadas a profundidades intermedias P1, P2, se utiliza el modo de focalización electrónica. Para controlar las zonas más profundas RT1, RT2, RT3, se utiliza el modo de focalización por inversión temporal.

En el modo de focalización electrónica, la focalización se realiza por la aplicación de retardos temporales predeterminados a cada una de las pastillas piezoeléctricas que constituyen el transductor. El transductor está pilotado electrónicamente, estando los retardos determinados antes del inicio de la inspección, por ejemplo por medio de una lógica de modelización. Los retardos pueden, igualmente, ser adquiridos por aprendizaje durante una calibración por autofocalización, autofocalización que puede ser realizada en un modo autofocus, o en un modo de inversión temporal, aplicado sobre una pieza patrón que contiene defectos de referencia con el fin de determinar las mejores leyes de retardos a aplicar sobre la palanquilla a controlar. La ley de retardo puede también ser modulada en amplitud según los canales (estando un canal asociado a una pastilla piezoeléctrica).

El modo autofocus y el modo de inversión temporal son procedimientos que realizan una autofocalización sobre un defecto que presenta una impedancia acústica diferente de la del medio que lo circunda. La calibración realizada en un modo autofocus, consiste en emitir un haz de ondas ultrasónicas no focalizado dirigido hacia una zona de análisis de la pieza patrón y en determinar los máximos de las señales de eco recibidas sobre cada canal con el fin de deducir los retardos temporales ligados al defecto reflector de referencia considerado. La ley de retardo así definida no es válida más que para la profundidad del reflector patrón y en el límite de la profundidad de campo de la mancha focal. Es necesario realizar la misma operación sobre reflectores patrones situados a profundidades diferentes que cubran todo el espesor de la pieza a controlar. El conjunto de leyes es memorizado y utilizado en la fase de inspección de la pieza.

La calibración realizada en un modo de inversión temporal incluye varias etapas. La primera etapa consiste en emitir un haz de ondas ultrasónicas no o poco focalizado dirigido hacia una primera zona de análisis de la pieza patrón. La segunda etapa consiste en recibir primeras señales de eco reenviadas por un defecto de referencia y el medio que lo circunda y en memorizar, en cada pastilla piezoeléctrica, la forma y la posición en el tiempo de las señales de eco; en una tercera etapa, en reemitir estas señales en la misma zona de análisis, en una cronología inversa, siendo la última señal recibida la primera señal reenviada. Es posible reiterar las etapas segunda y tercera con el fin de que los ecos del defecto de reflectividad más fuerte sean amplificados con respecto al del medio que lo circunda. Se determinan a continuación los máximos de las señales que corresponden al defecto reflector de referencia detectado y se deducen los retardos temporales ligados al defecto de referencia. Del mismo modo que para el modo autofocus, es necesario realizar la misma operación sobre lo defectos reflectores patrones situados a profundidades diferentes que cubran todo el espesor de la pieza a controlar. El conjunto de leyes obtenidas durante esta fase de aprendizaje es memorizado y utilizado en la fase de inspección de la pieza.

El control de las zonas más profundas de la palanquilla se efectúa íntegramente en un modo de inversión temporal. El procedimiento de control descrito aquí arriba para realizar una calibración es utilizado sobre la palanquilla, reemplazando la pieza patrón por la palanquilla; o el conjunto de leyes obtenidas sobre patrón para aprendizaje es utilizado en calidad de primer disparo sobre la palanquilla de la secuencia de inversión temporal.

Cada emisión de ondas ultrasónicas en el modo de focalización electrónica, o cada secuencia de tres emisiones sucesivas en el modo de inversión temporal, está focalizada en un sector predeterminado de la palanquilla, estando el punto de focalización rodeado por una mancha focal alargada según el eje de propagación de las ondas ultrasónicas y que tiene una forma cilíndrica en su parte media.

Un ejemplo de macha focal está representado en la figura 3.

El paso de avance, denotado con a, de la palanquilla entre dos sectores vecinos en la dirección circunferencial es inferior al diámetro eficaz, denotado diametereficaz, de la mancha focal de forma que hay un recubrimiento transversal de las manchas focales correspondientes a la iluminación de dos sectores vecinos. El diámetro eficaz de la mancha focal está definido como el mayor diámetro de la mancha en su parte cilíndrica media y según un plano medio perpendicular al eje de propagación de las ondas ultrasónicas.

Por ejemplo, el paso de avance puede ser escogido igual al 70% del diámetro de la mancha focal.

Con el fin de mantener el mismo nivel de sensibilidad de deflexión de los defectos en todo el volumen inspeccionado, el paso de avance de la palanquilla entre dos emisiones o dos secuencias de emisiones en dos sectores vecinos, es casi constante cualquiera que sea la profundidad inspeccionada.

El sector angular αP correspondiente depende de la profundidad


siendo R el radio de la palanquilla. El sector angular aumenta cuando la profundidad aumenta, lo que significa que el número de emisiones ultrasónicas necesarias disminuye cuando la profundidad controlada aumenta.

La figura 4 representa un ejemplo de cronograma de emisiones de ondas ultrasónicas en las diferentes zonas de la palanquilla y para una rebanada de palanquilla.

Una rebanada de palanquilla es examinada durante una sola vuelta de rotación de la palanquilla. Es necesario, pues, que en una vuelta de rotación haya sido realizado el conjunto de emisiones de ondas ultrasónicas necesarias para el control del volumen correspondiente a una rebanada de palanquilla.

Durante una vuelta de la palanquilla, la focalización de las ondas emitida es efectuada según el modo de focalización electrónica FE1, FE2 o según el modo de inversión temporal RT1, RT2, RT3 dependiendo de la profundidad de las zonas a controlar. Estos dos modos son utilizados de manera entrelazada con el fin de cubrir de forma óptima el conjunto del volumen de la rebanada de palanquilla a controlar.

Esta optimización es efectuada, por un lado, teniendo en cuenta el hecho de que son necesarias varias emisiones sucesivas en el modo de inversión temporal y, por otro lado, teniendo en cuenta el paso de avance de la palanquilla en la dirección circunferencial entre dos emisiones, o entre dos secuencias de emisiones, sucesivas.

El número n de emisiones ultrasónicas durante una vuelta de palanquilla está ligada a la velocidad de rotación ω de la palanquilla y a la frecuencia de recurrencia F de los disparos:


El modo de inversión temporal necesita varias emisiones sucesivas (lo más frecuente es tres emisiones), es necesario que el desplazamiento de la zona controlada sea limitado. A este desplazamiento limitado corresponde un sector angular θ = 2π ω/F. La figura 5 representa un esquema de principio de un canal de tratamiento asociado a un elemento de orden i del transductor en un dispositivo electrónico multicanal, según la invención.

Cada canal incluye un conmutador 10 que permite seleccionar uno de los dos modos de funcionamiento posibles. La posición A selecciona el modo de focalización electrónica, la posición B selecciona el modo de inversión temporal.

En el modo de focalización electrónica, el elemento de orden i del transductor recibe impulsos de un generador de impulsos 11. El retardo aplicado a las impulsiones emitidas es entregado por una memoria 12, memoria 12 que esta pilotada por un reloj interno 14. El contenido de la memoria 12 puede ser generado de dos formas diferentes según que la ley de retardo esté determinada de forma teórica por una lógica de modelización, en este caso los retardos son almacenados en un fichero 13, o que la ley de retardo esté determinada por autofocalización sobre defectos de una pieza patrón, en este caso los retardos son adquiridos por aprendizaje, digitalizados por un convertidor analógico/digital 15 y almacenados en una memoria 16.

En el modo de inversión temporal, cada canal incluye un muestreador 17 destinado a suministrar muestras analógicas de la señal recibida por el transductor i a la frecuencia del reloj 14 durante intervalos de tiempo fijados por un cadenciador 18 y de período T suficiente para que el eco sea recibido por todos los elementos del transductor. El muestreador 17 está seguido por el convertidor analógico/digital 15. Es suficiente en general una conversión en ocho bits para representar de forma satisfactoria la dinámica de los ecos. Los octetos, representativos cada uno de una muestra, son memorizados en la memoria 16 organizada en cola (del tipo último en entrar-primero en salir) de capacidad suficiente para almacenar todas las muestras recibidas durante el período T: la inversión temporal no es efectuada más que durante este período T.

El cadenciador 18 está previsto de forma que provoque el inicio del muestreo al cabo de un tiempo determinado después de la excitación por el generador de impulsos 11, siendo tal estimación fácil de efectuar a partir del conocimiento de la velocidad de propagación de los ultrasonidos en el medio.

El cadenciador 18 está previsto, igualmente, de forma que provoque la emisión del frente de onda retornada al cabo de un tiempo breve después del eco. Es, en efecto, deseable que este tiempo sea breve (algunos milisegundos, por ejemplo) para que ni el medio, ni la posición del objeto se vean modificados entre la ida y el retorno.

Para permitir la emisión de un frente de onda retornado, cada canal 20 comprende un convertidor digital/analógico 19 seguido por un amplificador 21 de ganancia elevada. La salida del amplificador 21 ataca al respectivo transductor i.

La figura 6 representa un ejemplo de transductor multielemento, según la invención.

Los elementos del transductor numerados 1 a 121 son pastillas piezoeléctricas organizadas en matriz. La cuadrícula de la matriz es anular y sectorial. Los 121 elementos tienen sensiblemente las mismas dimensiones. El transductor está preformado de manera que esté prefocalizado en la zona del núcleo de la palanquilla, la prefocalización está asegurada por una superficie de Fermat.


 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de control ultrasónico de una pieza de geometría cilíndrica que tiene un eje central longitudinal, que consiste, durante la rotación de la pieza, en emitir ondas ultrasónicas focalizadas en zonas a analizar situadas a diferentes profundidades de la pieza, siendo realizada la focalización con un mismo transductor multielemento según dos modos de focalización diferentes, un modo de focalización por inversión temporal, que es seleccionado para controlar las zonas centrales situadas en el núcleo de la pieza cilíndrica alrededor del eje central longitudinal, y un modo de focalización electrónica, por una aplicación de retardos temporales predeterminados sobre diferentes canales de emisión de ondas ultrasónicas, que es seleccionado para controlar las zonas intermedias situadas entre las zonas centrales y las zona periféricas de la pieza cilíndrica, siendo aplicados los dos modos de focalización de manera entrelazada en el tiempo con el fin de cubrir de forma óptima el conjunto del volumen de la pieza a controlar.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los retardos temporales son predeterminados por medio de una lógica de modelización.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque los retardos temporales son predeterminados durante un calibración por un procedimiento de autofocalización aplicado sobre una pieza patrón que incluye defectos de referencia localizados en diferentes profundidades de la pieza patrón.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el procedimiento de autofocalización consiste en emitir un haz de ondas ultrasónicas no focalizado hacia una zona de análisis de la pieza patrón, en recibir los ecos reflejados por los defectos de referencia, en detectar los máximos de los ecos recibidos y los retardos temporales asociados a los máximos de los ecos recibidos y en memorizar estos retardos temporales.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el procedimiento de autofocalización es un procedimiento de focalización por inversión temporal aplicado sobre una pieza patrón que incluye defectos de referencia y necesita varias iteraciones de emisión y de recepción de señales ultrasónicas en cada zona de análisis.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la pieza es analizada por rebanadas sucesivas, siendo cada una de las rebanadas dividida en coronas anulares y estando dividida cada una de las coronas en sectores angulares, constituyendo cada uno de los sectores angulares una zona de análisis.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque cada una de las rebanadas es analizada durante una vuelta de rotación de la pieza.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el análisis de dos sectores sucesivos se realiza por un desplazamiento circunferencial de la pieza en un paso de avance predeterminado y casi constante cualquiera que sea la profundidad de la zona analizada.