Prueba de cerámicas piezoeléctricas para la detección de grietas

Libro blanco: informativo técnico-científico ITC-01 / ATCP
Objetivo y aplicaciones

Las cerámicas piezoeléctricas son componentes frágiles y sensibles que pueden presentar grietas internas indetectables a través de la inspección visual. Las cerámicas con grietas, incluso internas e invisibles, deben ser descartadas para evitar la falla prematura de los transductores y convertidores ultrasónicos en los que se montan y los consiguientes perjuicios con retrabajos y asistencia técnica.

Este informativo presenta una metodología práctica y eficaz para la detección de grietas en cerámicas piezoeléctricas utilizadas en transductores y convertidores ultrasónicos. Esta metodología es una variación de la inspección por resonancia acústica (estándar ASTM-E2001) que obtiene el espectro de frecuencias mediante análisis de impedancia, y que puede ser fácilmente aplicado por fabricantes y usuarios finales de cerámicas piezoeléctricas, transductores y convertidores ultrasónicos para:

  • Control de calidad en la fabricación de cerámicas piezoeléctricas.
  • Inspección de recepción de cerámicas piezoeléctricas nuevas.
  • Verificación de cerámicas seminuevas, que fueron utilizadas en la fabricación de transductores o convertidores reprobados y desmontados.
  • Prueba para el reaprovechamiento con seguridad de cerámica usada, que fueron recuperadas de transductores y convertidores dañados.

Introducción

La figura 1 muestra una cerámica piezoeléctrica típica de convertidores de 20 kHz para soldadura por ultrasonido. Sus dimensiones son 38,1 x 19,1 x 5,15 mm y su material el PZT-8. En las dos caras planas hay electrodos metálicos para la aplicación de la tensión y en una de las caras hay la marcación de la polaridad (el positivo se indica con la señal "+" y / o con un punto "•", que también puede estar en el lateral). Estas cerámicas se fabrican con el prensado y la sinterización de Titanato Zirconato de Plomo (PTZ) en polvo. El PTZ se encuentra en diversas variaciones y denominaciones, confirme la aplicación y el fabricante.

Figura 1 - Cerámica piezoeléctrica típica de convertidores para soldadura por ultrasonido.

Las cerámicas piezoeléctricas constituyen el principal elemento de los transductores y convertidores ultrasónicos y son responsables de la conversión de la energía eléctrica en vibración ultrasónica y viceversa a través del efecto piezoeléctrico. Las grietas, aunque sean internas y de tamaño reducido, causan calentamiento, pérdida de rendimiento y variaciones en la frecuencia del transductor o convertidor.

La presencia de trinquete en la cerámica piezoeléctrica compromete la simetría de la deformación mecánica con la vibración y ocasiona la concentración de tensiones mecánicas, que a su vez inducen el crecimiento del trinquete en un ciclo vicioso que culmina en la ruptura total. En la figura 2 se compara la deformación de un anillo cerámico íntegro con el de un anillo trincado, ambos vibrando en el modo radial fundamental. En la figura 3 se presenta una secuencia ilustrativa del desarrollo de un trinquete interno hasta la ruptura de la pieza.

a)Piezocerâmica sem defeito. b)Piezocerâmica trincada
Figura 2 - Comparación de la deformación de una cerámica íntegra (a) en el modo de vibración radial con la de una cerámica trincada (b).
Ceramica con trinquete internoPiezocerámica con trincado visibleCerámica piezoeletrica quebrada
Figura 3 - Secuencia ilustrativa de la evolución de un trinquete interno debido a la concentración de tensiones mecánicas: 1 °) cerámica con trinquete interno, 2 °) cerámica con trinca visible y 3 °) cerámica rota

Los trinquetes pueden ocurrir en los siguientes momentos:

  • Durante el proceso de fabricación de la cerámica, debido a la distribución desigual de polvo en el molde de prensado.
  • Durante el montaje del transductor o convertidor, debido a las irregularidades de la superficie y al apriete excesivo (> 50 Mpa) o brusco (> 5 Mpa / s).
  • Durante la operación del transductor o convertidor, debido a la fatiga, sobrecarga, pérdida de pre-compresión, sobrecalentamiento o apertura de arco eléctrico.
  • Durante el transporte y la manipulación, debido a choques mecánicos y caídas.

El índice de cerámicas nuevas con grietas puede ser superior al 3%, dependiendo de la procedencia y del rigor del control de calidad del fabricante. Este porcentaje es significativo porque basta con que una cerámica trenzada para comprometer el transductor o convertidor ultrasónico, y normalmente los transductores y convertidores se montan con más de una cerámica que multiplica la probabilidad de problemas.

Fundamentos

Cada cuerpo rígido presenta frecuencias de resonancia asociadas a los modos de vibración. En el caso de las cerámicas piezoeléctricas en el formato de anillos y discos, las principales frecuencias de resonancia son aquellas asociadas a los modos de vibración radial y espesor.

La figura 4 muestra la curva de impedancia típica de tres cerámicas piezoeléctricas comerciales comunes íntegras; se observa que cuanto mayor sea la cerámica, más bajas son sus frecuencias. En el caso del anillo mayor, de 50,8 x 19,1 x 5 mm, hay una segunda la resonancia que corresponde a un armónico del modo radial fundamental. Otras cerámicas comerciales con dimensiones aproximadas y en el formato de discos presentan el mismo patrón.

Módulo de impedancia vs frecuencia
Figura 4 - Curvas características del módulo de la impedancia en función de la frecuencia de tres cerámicas íntegras típicas de convertidores de soldadura y de limpieza por ultrasonido.

La presencia de grietas permite la ocurrencia de modos de vibración y de resonancias adicionales, que son detectables empleando el Analizador TRZ y el Software TRZ. En las figuras 5 y 6 se presentan las espectroscopias de impedancia (módulo de la impedancia en función de la frecuencia / curva) Z (f) de dos cerámicas piezoeléctricas similares, estando una de ellas íntegra (figura 5) y la otra trincada (figura 6).

El juicio del resultado es simple e inmediato: no debe haber múltiples resonancias (que se derivan de los modos de vibración adicionales permitidos por el trío) y debe haber como máximo dos modos de vibración en el rango de frecuencia de 10 a 180 kHz para cerámicas con diámetro exterior entre 20 y 60 mm. La cerámica íntegra (figura 5) presenta sólo un modo de vibración (destacado en azul) mientras que la cerámica trincada (figura 6) presenta varios modos de vibración añadidos, modo de vibración principal.

Curva de cerámica piezoeléctrica íntegra
Figura 5 - Ejemplo de curva de impedancia de una cerámica piezoeléctrica anular íntegra (en el caso, de una cerámica en PZT-8 con las dimensiones de 38,1 x 19,1 x 5,15 mm).
Curva de cerámica piezoeléctrica trincada
Figura 6 - Ejemplo de curva de impedancia de una cerámica piezoeléctrica anular trincada (en el caso, de una cerámica en PZT-8 con las dimensiones de 38,1 x 19,1 x 5,15 mm).
Metodología

La metodología para la prueba de cerámicas piezoeléctricas para la detección de grietas es muy simple, basta con seguir el paso a paso siguiente:

Paso 1 - Utilice el Analizador TRZ y el soporte de cerámica PiezoHolder

Utilice el Analizador TRZ junto con el software TRZ (versión 5.0 o superior) y el soporte de cerámica PiezoHolder (figura 7). Seleccione la opción "Piezos" en el Software (figura 8), en esta pre-configuración el conjunto Analizador y Software TRZ realizará una exploración de 10 a 180 kHz.

Acessório PiezoHolder para teste de cerâmicasCurvas desenhadas pelo Software TRZ
Figura 7 - Analizador TRZ conectado al PiezoHolder y el software TRZ.
Figura 8 - Selección para la prueba de cerámicas (Software TRZ versión 5.0).

Paso 2 - Inserte la cerámica en PiezoHolder

Inserte la pieza de cerámica piezoeléctrica en el PiezoHolder (Figura 9). Este accesorio es capaz de soportar cerámicas en forma de discos y anillos con un grosor de entre 2 y 8 mm, y un diámetro de entre 20 y 60 mm. La polaridad no es relevante.

Figura 9 - Soporte PiezoHolder para la conexión de las cerámicas al Analizador TRZ.

Paso 3 - Realice la medición y el análisis

Realice la medición haciendo clic en el botón "Play" (figura 10) o con el mando Crtl-N y, a continuación, verifique si la curva obtenida es suave o tiene perturbaciones de baja amplitud (ver figuras 5 y 6). Si se detectan los humos, la cerámica piezoeléctrica está trenzada y debe descartarse. La presencia del trinquete puede ser confirmada con ensayos no destructivos vía ultrasonido (pulso-eco).

Figura 10 - Realización de la medición.

Observación importante: Esta metodología no es sensible a las escasas en las esquinas de las cerámicas. Las cerámicas con este tipo de defecto deben ser descartadas aunque no estén trenzadas.

Ejemplos

La tabla 1 muestra el resultado detallado de la caracterización de una cerámica nueva e íntegra, de una cerámica nueva con trinquete interno, de una cerámica usada con trinquete interno y de una cerámica nueva con defecto indeterminado. Tenga en cuenta que el valor predeterminado de las resonancias adicionales, que indican la presencia del trinquete, varía caso por caso.

La inspección visual de las cerámicas fue realizada con un lupa con amplificación de 8x. Las superficies de la cerámica usada se lijaron con un casquillo abrasivo de grano 1500 y limpias con disolvente para la remoción de suciedades que podrían eventualmente impedir la visualización del trío.

Tabla 1 - Ejemplo de pruebas de cerámica íntegra, con trinquete interno y otros defectos.
DescripciónCurva obtenida con el Analizador TRZObservaciones
Cerámica nueva e íntegraEsta nueva cerámica fue aprobada porque no hay resonancias adicionales y porque ocurrió una resonancia principal bien definida. Curiosidad: el logo de la ATCP Ingeniería Física fue inspirado por este patrón de curva
Cerámica nueva con trío interno.Esta nueva cerámica ha sido reprobada porque se han detectado múltiples resonancias adicionales. La presencia de trinquete fue confirmada con el método de ensayo no destructivo por ultrasonido para la detección de discontinuidades.
Cerámica usada con trinquete internoEsta cerámica usada fue reprobada porque hay múltiples resonancias adicionales además de perturbaciones en la resonancia principal. La presencia de trinquete fue confirmada con el método de ensayo no destructivo por ultrasonido para la detección de discontinuidades.
Cerámica nueva con defecto indeterminadoEsta nueva cerámica ha sido reprobada porque hay una perturbación en la resonancia principal, pero no fue posible detectar la presencia de trinquete con el método de ensayo no destructivo por ultrasonido. El defecto que generó esta perturbación puede ser una inomogeneidad en la densidad del material.
La tabla 2 muestra el resultado detallado de la caracterización de una cerámica usada con trinca visible y de una cerámica usada quebrada. Estas son situaciones extremas en las que la inspección visual sería suficiente para la reprobación y descarte de las piezas, el objetivo de presentarlas aquí es enriquecer los ejemplos.

En estos casos las resonancias adicionales son más acentuadas, pero no muy diferentes de las resonancias adicionales observadas en las cerámicas con trinquete interno (ver curvas de la tabla 1).

Tabla 2 - Ejemplo de prueba de cerámica usada con trincado visible y de cerámica quebrada (situaciones extremas en las que la inspección visual es suficiente).
DescripciónCurva obtenida con el Analizador TRZObservaciones
Cerámica usada con trinquete externo / visibleEsta cerámica usada ha sido reprobada porque presenta un trinquete visible, además de múltiples resonancias adicionales.
Cerámica usada quebrada y con segmento que falta.Cerámica usada quebrada y con segmento que falta.
Las cerámicas de la tabla 1 y de la tabla 2 están disponibles en la ATCP para la realización de entrenamientos para el uso avanzado del Analizador TRZ.
Recuperación y reutilización de cerámicas piezoeléctricas

La ruptura de las cerámicas es la principal causa de falla de los transductores y convertidores. La figura 4 muestra el ejemplo de un convertidor de 35 kHz dañado con destaque para la cerámica piezoeléctrica rota. Sin embargo, no todas las cerámicas de un transductor dañado están necesariamente comprometidas y pueden ser reaprovechadas buscando la reducción de costos de mantenimiento, principalmente cuando se trata de fallas prematuras durante pruebas de fabricación. Para ello, es necesario una metodología que garantice la ausencia de grietas en las cerámicas que serán reutilizadas.

Figura 4 - Convertidor ultrasónico con 01 cerámica piezoeléctrica rota. Las demás fueron reaprovechadas con seguridad después de la prueba para la detección de grietas internas.

En el caso de transductores y convertidores que fallaron después de un largo período de tiempo el uso, es muy probable que las cerámicas intactas presenten una vida útil reducida y eventuales cambios en las constantes piezoeléctricas, sin embargo esto no impide que estas cerámicas también sean reutilizadas con éxito.

Para recuperar cerámicas usadas, además de la prueba para la detección de grietas, es necesario quitar el barniz aislante o resina epoxi que pueda estar eventualmente presente en los laterales de la cerámica. También es recomendable lijar ligeramente los electrodos de la cerámica con un casquillo abrasivo de grana 1500 o superior para eliminar marcas y suciedad. Es importante cuidar para que el lijado no sea excesivo y retire el electrodo.

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Prueba de cerámicas piezoeléctricas para detección de grietas

TRZ Manual
Aprenda cómo probar cerámicas piezoeléctricas para la detección de grietas internas.