INTRODUCCIÓN A LA TECNICA DE EDDY CURRENT Aplicaciones y alcances del método - Detección de discontinuidades superficiales con aplicaciones limitadas para detectar las sub superficiales (cercanas a la superficie, alrededor de los 6 mm). • Corrosión por debajo de los recubrimientos estructurales de aviones (skin) • Corrosión en zonas próximas a remaches de fuselaje y alas • Discontinuidades generadas por fatiga (piezas con agujeros, recubrimientos remachados, etc). • Discontinuidades en espesores de tubos y en soldaduras - Determinación de cambios de los tratamientos térmicos ( dureza) etc. - Medición de espesores de materiales conductores (clad) y no conductores (pinturas) Aplicaciones y alcances del método Aplicaciones y alcances del método Comparación con otras técnicas capaces de detectar dicontinuidades superficiales Generación de las corrientes Eddy, de Foucault o parásitas, en materiales conductores Las corrientes de Foucault se generaran si existen un campo magnético fluctuante en presencia de un conductor o bien existe un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético si este es permanente. Generación de las corrientes Eddy, de Foucault o parásitas, en materiales conductores (corriente alterna) Al hacer circular corriente alterna a través de una bobina se creará un campo magnético (primario). Al aproximarlo a un material conductor se inducirá en éste corrientes eléctricas circulares (Ley de inducción de Faraday). Generación de las corrientes Eddy, de Foucault o parásitas, en materiales conductores (corriente alterna) Estas corrientes circulares de Foucault (FEM) crean, en el conductor, electroimanes con campos magnéticos (secundarios). Estos se oponen al efecto del campo magnético aplicado (primario), Ley de Lenz. Principio de conservación de la energía y principio de acción y reacción. Bp: primario (fluctuante o alterno) Bs: campo magnético secundario opuesto al primario E (fuerza electromotriz FEM) Las corrientes de Foucault y los campos opuestos generados serán más intensos cuando: • Los campos magnéticos (alternos) aplicados sean intensos • Exista elevada conductividad del material • Mayor sea la velocidad relativa del movimiento entre el campo y el material conductor (caso del imán permanente y el tubo de cobre). • Mayor sea la velocidad relativa del movimiento de los electrones (campo alternado, función de la frecuencia) Efecto de la frecuencia en la densidad de las corrientes inducidas A mayor frecuencias Más densidad absoluta de corrientes de Foucault en la superficie del material Aumenta el flujo del campo magnético secundario Se genera un mayor blindaje a la penetración de las corrientes en el material (efecto pelicular o Skin-effect). Este efecto es el causante de la variación de la resistencia eléctrica, en corriente alterna, en un conductor Porcentaje de la densidad de corriente en función de la penetración Densidad de las corrientes Profundad o penetración en el material Bobina de inducción (características) - Componente capacitiva (C0) inductiva o inductancia (L0) despreciable frente a la - Reactancia inductiva (XL0) - Baja resistencia (R0) - Forma adecuada para el ensayo particular (diámetro pequeño) - CA, genera campo magnético variable (rango de frecuencia) Concepto de impedancia o reactancia Impedancia de una bobina o reactancia inductiva (XL0) Medida de la oposición a un cambio de corriente en este componente. Dejan pasar la corriente continua y las señales de frecuencias bajas pero bloquean las señales de frecuencias altas (skin effect) Resistencia (R) (material conductor) Medida de la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor Concepto de impedancia o reactancia Principio de la aplicación de la técnica de Eddy Current sobre materiales conductores Someter al material conductor a un estado de energía adecuado, ésta fluye en el material. Bs Corriente alterna de excitación Bp Eddy current Principio de la aplicación de la técnica de Eddy Current sobre materiales conductores A medida que la bobina se acerca al material conductor (sin discontinuidades) se inducen las corrientes de Eddy (van aumentado su intensidad) creándose un campo secundario. El campo primario y campo secundario (opuesto) interactúan, este último debilita al campo primario. El efecto reduce la reactancia inductiva (XL0) de la bobina a medida que aumentan las corrientes de Foucault (presencia del material conductor). Se produce un balance. Irregularidades como - Inclusiones materiales diferentes al material base TT Discontinuidad corrosión, etc Obstruyen la circulación de las corrientes de Foucault disminuyendo sus intensidades y el campo generando (secundario) Esto tiene un efecto reactivo en la bobina, aumentando la reactancia inductiva de ella. El diámetro de distribución de la corriente de Eddy son del orden del diámetro de la bobina Bobina se desplaza sobre placa conductora a una distancia constante. Cambios momentáneos se producen en la reactancia inductiva de la bobina y en la corriente que circula por ella al pasar sobre la discontinuidad. Cambio en la corriente es amplificado, se presenta en un instrumento (indicación digital o de aguja) Esta es la base de la técnica Ventajas - Con/sin contacto entre la bobina de inducción y material (ej. Materiales conductores pintados) - Anomalías generadas en la circulación de las corrientes se detectan por medios electrónicos. - No es necesaria una limpieza exhaustiva de la pieza Instrumentos simples (multímetros por ejemplo) no se utilizan en la práctica, sólo serían capaces de indicar discontinuidades muy grandes. Instrumentos digitales son los utilizados Influencia de la conductividad eléctrica del material sobre impedancia la bobina Inicialmente consideramos una bobina ideal, sin resistencia óhmica (sin pérdidas por resistencia). Impedancia de la bobina en el plano complejo se muestra como función de la conductividad del material a ensayar a una distancia A constante (Lift off mínimo, distancia entre la bobina y el material conductor). Influencia de la conductividad eléctrica del material sobre impedancia la bobina σ:conductividad eléctrica del material Material no conductor (conductividad eléctrica 0) P1 - No se generan corrientes parásitas, reactancia inductiva (jωL0) sin cambios, se tiene reactancia inductiva. Material con conductividad eléctrica finita (P2) - Se generarán corrientes parásitas y pérdidas óhmicas. - Aumento de la componte óhmica, reducción simultánea de la componente inductiva. - El punto de funcionamiento se desplaza de P1 a P2. Conductividad eléctrica infinita, superconductor) elevada (hipotéticamente - No habrá pérdidas óhmicas, la componente óhmica de la impedancia (Z) de la bobina desaparecerá. - Flujo de las corrientes de Foucault elevados al igual que el campo que estas generan. - Reducción considerable de la reactancia de la bobina (punto P3). La conductividad del material tiene una influencia determinante en la impedancia de la bobina cuando esta se aproxima a el Influencia de la distancia bobina-material o lift off sobre la impedancia de la bobina La distancia A entre la bobina y el material conductor también modifica la impedancia. En la siguiente imagen se observan curvas con valores constantes de A (lift off). El punto P1 bobina muy alejada, no hay inducción de corrientes, la impedancia de la bobina no se modifica. A varía desde valores elevados hasta el valor 0 (que no se puede obtener en la práctica), las curvas de impedancia continuarán expandiéndose hasta el origen. Con conductividad muy alta y A=0 (ideal) no habrá componente óhmica en la impedancia, se tendrán corrientes elevadas. El acoplamiento de la bobina con el material será ideal y el campo de generación primario estará completamente cancelado por el campo secundario de las corrientes parásitas. Esto significa que la bobina tampoco tendrá ninguna reactancia, es decir, inductancia efectiva será 0. También la distancia entre la bobina y el material a ensayar tiene una influencia importante en la impedancia de la bobina Influencia de las dicontinuidades sobre la impedancia de la bobina En la detección de discontinuidades el objetivo no es medir la conductividad o la distancia A sino la influencia de las discontinuidades sobre la impedancia de la bobina y, por lo tanto, sobre la corriente que circula por ella. Si la bobina pasa por una discontinuidad, su impedancia cambia con un valor específico y con una determinada dirección del vector impedancia Si por otro lado el valor de la impedancia cambia debido a la distancia entre la bobina y la superficie, el vector cambia en otra dirección. Este efecto es muy significativo. Mediante ayudas electrónicas se puede evaluar los efectos de una discontinuidad en referencia a otros efectos Materiales con baja conductividad eléctrica se tornan difíciles de evaluar frente a materiales de alta conductividad eléctrica en cuanto al cambio de impedancia por presencia de discontinuidades. Influencia de la frecuencia sobre la impedancia de la bobina. Ambas ¨variables¨ ejercen la misma influencia sobre la impedancia. La impedancia reacciona a un aumento de la conductividad eléctrica del mismo modo que a un aumento de la frecuencia. Un material con alta conductividad reduce la componente inductiva de la bobina al igual que una alta frecuencia (skin effect) Del punto de vista práctico no se trabaja con la conductividad eléctrica sino con la frecuencia de prueba que puede ser calculada o bien determinada por medio del uso de patrones, cálculos o tablas. Consideraciones para materiales ferromagnéticos Permeabilidad magnética influye sobre el campo magnético de la bobina (concentrándolo) aumentando la reactancia inductiva de ella. Es decir que es un campo mas fuerte que eclipsa el campo generado por las corriente de Eddy. Sistema de bobina para inspección de elementos cilíndricos (throughput o encircling coil) Separación entre el material y la bobina (caso de la bobina de exploración): grado de llenado (encircling coil). Grado de llenado: relación entre la sección transversal de material de prueba respecto al de la bobina Factor de llenado bajo o de llenado alto, semejante a lo visto en partículas magnéticas Bobinas (cabezales o probes) Bobina Absoluta: una sola bobina se pone en contacto con el material a inspeccionar. Bobina Diferencial: dos bobinas, una es la de excitación y otra la de medición son utilizadas. Pueden estar contenidas en un mismo cabezal o separadas. Determinación de la profundidad estándar de las corrientes de Eddy δ = penetracion (mm) f = frecuencia (Hz) µ0= permeabilidad mag vacio (H/m u Ω*s/m)) µr= permeabilidad mag. Relativa µ= permeabilidad absoluta (µ0* µr) σ= Electrical Conductivity (% IACS o Siemens/m=1/(Ωm)) Conductividad eléctrica Su valor está referido o expresados en porcentaje de IACS (International Anneled Copper Standard) Los equipos están calibrados en % IACS. Por ejemplo: En aleación de aluminio (30 a 40% IACS), dimensiones de fisuras entre 1,52 a 3,4 mm de largo y 0,15 mm a 0,38 mm de profundidad, se recomiendan frecuencias de inspección entre 100 y 500 kHz. Mediciones de la conductividad eléctrica Se ve influenciada por: tratamiento térmico, recubrimiento aplicado y geometría de la pieza. Las lecturas de conductividad están dadas en IACS y son equipos especiales para este propósito. Pueden presentar indicaciones calibradas (caso de la conductividad) o bien presentar un display mas general el cual se calibra Tratamiento térmico En la siguiente gráfica se puede observa el cambio de la conductividad eléctrica de la aleación de aluminio 7075 por efecto de los diferentes tratamientos térmicos. Para convertir IACS a m/Ω/mm2, dividir por 1,7241 Recubrimiento Clad (recubrimiento conductor): es una técnica que afecta la medición de la conductividad eléctrica sobre el material base y esta relacionado con el espesor del clad. Se deben hacer ensayos si bien se tienen documentos de referencia. Pinturas: gruesas capas de pintura afectan la relación entre el cabezal y la superficie a inspeccionar y por lo tanto la determinación de la conductividad eléctrica. Geometría La forma de las piezas, cambio en su configuración, afecta la distribución de las corrientes de Eddy, espesores y curvaturas son dos de las fuentes mas grandes de lecturas erróneas.
