Ensayo de cerámicas piezoeléctricas para la detección de grietas.

Contenido del Informativo técnico-científico ATCP ITC-01.
Objetivo y aplicaciones

Las cerámicas piezoeléctricas son componentes frágiles y sensibles que pueden presentar grietas internas indetectables a una inspección visual. Las cerámicas que presenten grietas, aunque sean internas e invisibles, deben descartarse para evitar la avería prematura de los transductores de ultrasonidos y convertidores en los que están montadas, y las pérdidas resultantes por reparaciones y asistencia técnica.

Este documento técnico presenta una metodología práctica y eficaz para detectar grietas en cerámicas piezoeléctricas utilizadas en transductores y convertidores de ultrasonidos. Este enfoque es una variación de la inspección de resonancia acústica (ASTM-E2001) que obtiene el espectro de frecuencia a través del análisis de impedancia. Los fabricantes y usuarios finales de cerámicas piezoeléctricas, transductores ultrasónicos y convertidores pueden aplicar esta metodología en los siguientes casos:
- Control de calidad en la fabricación de cerámicas piezoeléctricas;
- Inspección de recibo de nuevas cerámicas piezoeléctricas;
- Comprobación de cerámicas recuperadas de transductores y convertidores reprobados en la línea de producción;
- Comprobación de cerámicas recuperadas de transductores y convertidores dañados y desmontados.

Introducción

La Figura 1 muestra una cerámica piezoeléctrica típica de convertidores de 20 kHz para soldadura por ultrasonidos. Sus dimensiones son 38,1 x 19,1 x 5,15 mm y su material es el PZT-8. Hay electrodos metálicos en sus dos caras planas para la aplicación de voltaje eléctrico y en una de las caras se muestra la marca de polaridad (el positivo está marcado con un “+” o un punto “•”, que también puede estar en el lateral). Estas cerámicas se fabrican presionando y sinterizando el polvo de titanato de zirconato de plomo (PZT). El PZT se puede encontrar bajo diversas variaciones y denominaciones: confirme la aplicación y especificación correctas con el fabricante.

Polaridad de cerámica piezoeléctrica y el electrodo de plata.
Figura 1- Cerámica piezoeléctrica típica para convertidores de soldadura por ultrasonidos

Las cerámicas piezoeléctricas son el elemento principal de los transductores y convertidores ultrasónicos y son responsables por la conversión de la energía eléctrica en ondas de ultrasonidos y viceversa a través del efecto piezoeléctrico. Las grietas, incluso si son internas y dimensionalmente pequeñas, causan calentamiento, pérdida de productividad y variaciones de frecuencia en los transductores y convertidores de ultrasonidos.

La presencia de grietas en la cerámica piezoeléctrica rompe la simetría de las tensiones mecánicas provocando concentraciones, lo que lleva al crecimiento de la grieta en un círculo vicioso y, eventualmente, a una rotura completa. La Figura 2 muestra la comparación entre una deformación de anillo cerámico intacto y un anillo agrietado, ambos en el modo de vibración radial fundamental. La figura 3 presenta una secuencia ilustrativa del crecimiento de una grieta interna hasta la rotura de la pieza.

a)Cerámica piezoeléctrica intacta. b)Cerámica piezoeléctrica agrietada.
Figura 2 - Comparación entre la deformación de una cerámica intacta (a) en modo de vibración radial con una agrietada (b).
Cerámica piezoeléctrica con fisura interna.Cerámica piezoeléctrica con grieta visible.Cerámica piezoeléctrica fracturada.
Figura 3 - Secuencia ilustrativa de la evolucion de una grieta interna: 1º) Cerámica con grieta interna, 2º) Cerámica con grieta visible, 3º) Cerámica fracturada.

Las grietas pueden ocurrir durante:
- La fabricación de las cerámicas piezoeléctricas por desigual distribución de polvo de PZT en lo molde de prensado.
- El montaje del transductor debido a irregularidades en la superficie, pré-compresión excesiva (>50 MPa) o apriete brusco (>5 MPa/s).
- El uso del transductor o convertidor debido a fatiga, sobrecarga, pérdida de pré-compresión, sobrecalentamiento o arco eléctrico.
- El transporte o manipulación por golpes mecánicos o caídas.

El porcentaje de cerámicas nuevas que presentan grietas puede ser superior al 3%, dependiendo de su origen y del rigor del control de calidad del fabricante. Este porcentaje es relevante porque solo una cerámica con una grieta es suficiente para comprometer el transductor o convertidor ultrasónico.

Fundaciones

Todo cuerpo rígido presenta frecuencias de resonancia asociadas con modos de vibración. En las cerámicas piezoeléctricas en forma de anillos y discos se asocian principalmente con los modos de vibración radial y de espesor.

La Figura 4 muestra la curva de impedancia típica de tres piezas cerámicas piezoeléctricas comerciales comunes e intactas. Tenga en cuenta que cuanto más grandes son las cerámicas, más bajas son sus frecuencias. En el caso del anillo más grande, de 50,8 x 19,1 x 5 mm, existe una segunda resonancia que corresponde a un modo radial fundamental armónico. Otras cerámicas comerciales en forma de anillos, con dimensiones similares, presentan el mismo patrón.

Curva de impedancia de cerámicas piezoeléctricas típicas.
Figura 4 - Curvas típicas del módulo de impedancia en función de la frecuencia para tres piezas cerámicas típicas e intactas de convertidores de soldadura y limpieza por ultrasonidos.

La presencia de grietas provoca la aparición de modos de vibración y resonancia adicionales, que son detectables mediante el uso del Analizador y Software TRZ®. Las Figuras 5 y 6 presentan las espectroscopias de impedancia (módulo de impedancia en función de frecuencia / curva | Z (f) |) de dos cerámicas piezoeléctricas similares, estando una de ellas intacta (Figura 5) y la otra agrietada (Figura 6).

Juzgar el resultado es gráfico y directo: no debe haber resonancias múltiples (de modos de vibración adicionales provocados por la grieta), y debe haber un máximo de dos modos de vibración en el rango de frecuencia de 10 a 180 kHz para cerámicas con el diámetro externo midiendo entre 20 y 60 mm. La cerámica intacta (Figura 5) presenta solo un modo de vibración resaltado en azul), mientras que la cerámica agrietada (Figura 6) presenta varios modos de vibración adicionales, además del modo de vibración principal.

Curva de cerámica piezoeléctrica íntegra.
Figura 5 - Ejemplo de curva de impedancia para un anillo cerámico piezoeléctrico intacto (una cerámica PZT-8 con dimensiones de 38,1 x 19,1 x 5,15 mm).
Curva de cerámica piezoeléctrica agrietada.
Figura 6 - Ejemplo de la curva de impedancia para un anillo cerámico piezoeléctrico agrietado (una cerámica PZT-8 con dimensiones de 38,1 x 19,1 x 5,15 mm).
Metodología

La metodología de prueba para la detección de grietas en cerámicas piezoeléctricas es muy simple y se puede llevar a cabo fácilmente siguiendo las instrucciones a continuación:

Paso 1: Utilice el Analizador TRZ® y el PiezoHolder

Utilice el Analizador TRZ® junto con el Software TRZ® (versión 5.0 o superior) y el soporte PiezoHolder para cerámicas (Figura 7). Seleccione la opción “Piezos” del Software (Figura 8). Bajo esta preconfiguración, el Software y el Analizador TRZ® realizarán un barrido de 10 a 180 kHz.

Analizador TRZ con PiezoHolder probando una cerámica piezoeléctrica.Software TRZ muestreando el resultado de pruebas de piezocerâmicas para la detección de grietas.
Figura 7 - Analizador TRZ® conectado a PiezoHolder y al Software TRZ®
Selección de parámetros del Software TRZ para pruebas de piezocerâmicas.
Figura 8 - Selección para probar la cerámica (software TRZ®, 5.0 o superior).

Paso 2: Inserte la pieza de cerámica en el PiezoHolder

Inserte la cerámica piezoeléctrica en el PiezoHolder (Figura 9). Este accesorio es capaz de soportar cerámicas en forma de discos y anillos con espesores entre 1 y 9 mm, y diámetros entre 20 y 60 mm. La polaridad no es relevante.

Selección de parámetros del Software TRZ para pruebas de piezocerâmicas.
Figura 9 - Soporte PiezoHolder para la conexión entre la cerámica y el Analizador TRZ®.

Paso 3: Realice la medición y el análisis

Tome la medida haciendo clic en “Reproducir” (Figura 10) o usando el comando de atajo Ctrl-N. Luego, verifique si la curva obtenida es sutil o si tiene perturbaciones de baja amplitud (ver figuras 5 y 6). Si se detectan modos espurios, la cerámica piezoeléctrica está agrietada y debe desecharse. La presencia de grietas puede confirmarse mediante pruebas ultrasónicas no-destructivas (pulso-eco).

Realización de una medición en el Analizador TRZ.
Figure 10 – Para realizar la medición.

Observación importante: esta metodología no es sensible a las alteraciones en los bordes de las piezas cerámicas. Las cerámicas que presenten este tipo de defectos deben desecharse, aunque no estén agrietadas.

Ejemplos

En la tabla 1 se muestran los resultados para una cerámica nueva e intacta, una cerámica nueva pero agrietada internamente, una cerámica usada y agrietada internamente, y finalmente para una pieza nueva que presenta un defecto desconocido. Observación: Tenga en cuenta el patrón de resonancias adicionales que indica la presencia de grietas varía.

La inspección visual de las cerámicas se realizó con una lupa de 8 aumentos. Antes de la inspección visual, las superficies de las cerámicas usadas se lijaron con una lija 1500 y se limpiaron con un solvente para eliminar la suciedad.

Table 1 – Ejemplo de ensayos de cerámicas intactas, agrietadas internamente y defectuosas.
DescripciónCurva obtenida con el Analizador TRZ®Observaciones
Cerámica nueva e intactaEsta cerámica nueva fue aprobada porque no hay resonancias adicionales y debido a una resonancia principal bien definida. Curiosidad: el logotipo de ATCP Engenharia Física se inspiró en este padrón de curva.
Cerámica nueva con grieta interna.Esta cerámica nueva no fue aprobada porque se detectaron múltiples resonancias adicionales. La existencia de grieta fue confirmada por las pruebas ultrasónicas no destructivas para la detección de discontinuidades.
Cerámica usada con grieta internaEsta cerámica usada no fue aprobada porque hay múltiples resonancias adicionales además de las perturbaciones en la resonancia principal. La existencia de grieta fue confirmada por las pruebas ultrasónicas no destructivas para la detección de discontinuidades.
Cerámica nueva que presenta un defecto desconocido Esta nueva cerámica no fue aprobada porque hay una perturbación en la resonancia principal, sin embargo, no fue posible confirmar que tiene una grieta interna mediante pruebas ultrasónicas no destructivas. El defecto que generó esta alteración puede ser una falta de homogeneidad de densidad del material prensado.
La Tabla 2 muestra los resultados detallados de la caracterización de una cerámica usada visiblemente agrietada y de una cerámica usada fracturada. Se trata de situaciones extremas en las que las inspecciones visuales habrían bastado para reprender y descartar las piezas. El objetivo de presentarlos aquí es solo enriquecer las ejemplificaciones.

Estos casos presentan resonancias adicionales más acentuadas, pero no son muy diferentes de las resonancias adicionales observadas en cerámicas agrietadas internamente (consultar las curvas de la tabla 1).

Tabla 2 - Ejemplo de ensayos con cerámica usada visiblemente agrietada y cerámica fracturada (situaciones extremas en las que la inspección visual hubiera sido suficiente).
DescripciónCurva obtenida con el Analizador TRZ®Observaciones
Cerámica usada visiblemente agrietadaEsta cerámica usada no fue aprobada porque presenta una fisura visible, además de múltiples resonancias adicionales.
Cerámica rota usada al que le falta un segmento.La presentación de la prueba para esta cerámica fracturada que falta un segmento tiene como objetivo ilustrar la aplicación de la metodología en una condición extrema.
Las cerámicas de las tablas 1 y 2 están disponibles en ATCP para la realización de entrenamientos para el uso avanzado del Analizador TRZ®.
Recuperación y reutilización de cerámicas piezoeléctricas

La fractura de las cerámicas es la principal causa de fallas de transductores y convertidores. La Figura 11 ejemplifica un convertidor de 35 kHz dañado, destacando la pieza de cerámica piezoeléctrica rota. Sin embargo, no todas las cerámicas de los transductores dañados están necesariamente comprometidas. Por el contrario, algunas pueden recuperarse para reducir los costos de mantenimiento, principalmente cuando se trata de fallas prematuras durante las pruebas de fabricación. Para eso, es necesario utilizar una metodología que garantice la inexistencia de grietas en las cerámicas que serán reutilizadas.

Convertidor ultrasónico con una cerámica piezoeléctrica rota.
Figura 11 - Convertidor ultrasónico con cerámica piezoeléctrica rota.

Para los transductores y convertidores que han fallado después de un largo período de uso, es muy probable que las cerámicas intactas presenten una vida útil reducida y cambios ocasionales en las constantes piezoeléctricas. Sin embargo, eso no impide que estas cerámicas sean renovadas.

Para recuperar las cerámicas usadas, además de probarlas para la detección de grietas, es necesario eliminar el barniz aislante o resina epoxi que ocasionalmente pueda estar presente en los lados de la pieza. También es aconsejable lijar ligeramente los electrodos cerámicos con una almohadilla abrasiva de grano 1500 o superior para eliminar las marcas y la suciedad. Es importante tener cuidado para evitar un lijado excesivo y la consiguiente remoción de los electrodos de plata.

Aprenda más sobre el Analizador TRZ®

Ensayo de cerámicas piezoeléctricas para la detección de grietas.

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