Termografía infrarroja como ensayo no destructivo: detección de defectos en componentes aerospaciales

Idurre Sáez de Ocáriz, Fernando Alonso, Borja Gambín del Centro de Tecnologías Aeronáuticas (CTA)15/08/2005

La cada vez mayor utilización de materiales avanzados en la industria aeronáutica hace necesario una mejora de los métodos convencionales de inspección no destructiva o el desarrollo de otros nuevos métodos que complementen a los anteriores en los casos donde encuentren dificultades. Entre estas nuevas técnicas destaca la termografía infrarroja (TIR) por su rapidez, sencilla aplicación y versatilidad ya que puede ser utilizada tanto en línea de producción como en mantenimiento.

La TIR es una técnica de ensayo no destructivo (END) sin contacto que obtiene la temperatura de la superficie de un cuerpo a través de la captación de la radiación infrarroja que ésta emite. El mapa térmico de la superficie obtenido es llamado termograma.

Cuando el flujo de calor en un material es alterado por la presencia de anomalías o defectos provoca contrastes de temperatura en su superficie. El uso de la TIR como método no destructivo de inspección está basado en la obtención y el análisis de las imágenes de esos patrones térmicos.

Las principales técnicas de TIR se resumen en este artículo y se comentan algunas de sus aplicaciones. También se muestran algunos resultados de ensayos de TIR en materiales compuestos y componentes metálicos aeronáuticos.

Técnicas de TIR

Las principales ventajas [1, 2] de las técnicas de TIR son las siguientes: es un método de inspección rápido y sin contacto que sirve para localizar defectos por debajo de la superficie, la interpretación de termogramas es muy sencilla (imágenes) y la radiación infrarroja no es nociva (al contrario que los rayos-x). Además puede ser aplicado a un amplio rango de materiales (tanto metálicos como compuestos) y áreas relativamente amplias pueden ser inspeccionadas en un único ensayo.

No obstante, su principal desventaja es que es efectivo únicamente en la detección de defectos poco profundos. También resulta complicado producir un calentamiento uniforme al aplicar las técnicas activas y pueden existir variaciones de emisividad en diferentes partes del cuerpo estudiado.

Termografía pasiva

La TIR pasiva se refiere a aquellos casos en los que no se usa ninguna estimulación de calentamiento o enfriamiento externo para provocar un flujo de calor en el cuerpo inspeccionado. El objeto estudiado produce un patrón de temperaturas típico por el hecho de estar involucrado en un proceso (industrial) que produce calor. Unos pocos grados de diferencia respecto a la temperatura normal de trabajo (referencia) del objeto muestra un comportamiento inusual. La TIR es capaz de capturar esta información de temperatura en tiempo real desde una distancia segura sin ninguna interacción con el objeto.

La TIR pasiva se usa, por ejemplo, para la monitorización del producto en procesos de fabricación, monitorización de procesos de soldadura o comprobación de la eficiencia de los discos de freno de automóviles. También puede ser usada en mantenimiento predictivo, como en rodamientos, turbinas y compresores, instalaciones eléctricas, tuberías enterradas o fugas de gas [1, 2]. Existen otras muchas aplicaciones no industriales como son las de tipo medicinal en detección de cáncer de pecho o desordenes vasculares, detección de fuegos, detección de objetivos (militar) o localización de perdidas de calor y humedades en edificios [1, 2].

Termografía activa

En termografía activa se usa una estimulación externa para provocar un flujo de calor interno en el objeto estudiado. Un defecto interno afectaría al flujo calorífico produciendo un contraste térmico en la superficie. Las técnicas de TIR activas principales son: TIR pulsada, step heating y TIR lock-in.

La TIR pulsada (Pulsed Thermography) consiste en aplicar un pulso corto de calor sobre el objeto (de 3 msg. a 2 s. dependiendo del material) y grabar el enfriamiento del espécimen. El frente térmico aplicado se propaga en el material y cuando encuentra un defecto el ratio de difusión es reducido produciendo un contraste de la temperatura sobre ese punto. De esta manera, el contraste de defectos más profundos aparecerá más tarde y con menor diferencia de temperaturas [1] (ver figura 1. La TIR pulsada es usada, por ejemplo, en la inspección de componentes estructurales de aviones, control de calidad de soldadura por puntos, álabes de turbina, detección de desencolados, delaminaciones, grietas o corrosión [2].

Figura 1. Configuración de típica de TIR activa (módulo Lock-in solo para la técnica de TIR lock-in).

En la técnica de Step Heating o termografía de pulso largo, el objeto es calentado continuamente a baja potencia y se monitoriza el incremento de temperatura de la superficie. Aplicaciones del step heating son, por ejemplo, la evaluación de espesores de recubrimientos y de uniones de recubrimiento a substrato en estructuras compuestas y también la detección de corrosión oculta en el fuselaje de aviones [1].

La TIR lock-in está basada en la generación de ondas de calor dentro del espécimen inspeccionado (por ejemplo, depositando periódicamente calor en el cuerpo por medio de una lámpara modulada) y monitorizando de forma sincronizada el campo de temperaturas oscilante obtenido mediante una computadora o un amplificador lock-in. Por transformación de Fourier se obtienen las imágenes de fase y amplitud de la temperatura. Las imágenes fase están menos afectadas por inhomogeneidades del calentamiento y de la emisividad, y son más sensibles en profundidad que otras técnicas de TIR. Sin embargo, requiere como mínimo la observación de un ciclo de modulación y cada ensayo es realizado para una frecuencia estudiando una profundidad cada vez, lo que aumenta el tiempo de inspección. [1, 2].

La TIR lock-in es usada, por ejemplo, en inspecciones de componentes estructurales, detección de remaches sueltos, investigación de estructuras de absorción de radar y detección de grietas, desencolados, etc. [1,2]. Si en lugar de realizar un calentamiento mediante lámparas de luz modulada se usa una vibración mecánica inducida externamente como excitación se hablaría de vibrotermografía.

Una alternativa es la utilización de un transductor piezoeléctrico como fuente de estimulación, que sería el caso de la denominada TIR lock-in ultrasónica. Estas dos últimas técnicas están dirigidas a la detección rápida de grietas en materiales metálicos, laminados y cerámicos, corrosión en planchas metálicas remachadas o delaminaciones en laminados [4, 7]. Otra variación es la TIR lock-in termoinductiva que excita corrientes de Eddy en materiales conductores mediante una bobina de inducción y la resistencia de los materiales genera un calentamiento local. La mayor densidad de corriente en las grietas provoca una temperatura mayor que es detectada por la cámara termográfica. Esta técnica ha sido probada en detección de grietas longitudinales en barras y tochos de acero aparecidas durante su moldeado en caliente [5] y en álabes de compresores [6].

La TIR de fase pulsada (Phase Pulsed Thermography) es una mezcla entre la TIR lock-in y TIR pulsada. La aplicación del ensayo es la misma que en termografía pulsada pero la adquisición de datos es tratada mediante transformada de Fourier para obtener la amplitud y la fase de la imagen a diferentes frecuencias con un único ensayo, con la consecuente rapidez de ensayo [1,2]. De igual manera, se puede conseguir una variación de la termografía lock-in ultrasónica utilizando un pulso ultrasónico en vez de una excitación continua. Esta técnica es denominada Ultrasound Burst Phase Thermography [4].

Procesamiento de datos

Además de la elección de la técnica más adecuada, un procesamiento de los datos adquiridos es, esencial para optimizar la localización y visualización de defectos. El procesamiento adecuado puede, por ejemplo, reducir el ruido, reflexiones parásitas o anisotropía de calentamiento que pueden enmascarar y evitar la localización de algunos defectos. Incluso este procesamiento de datos puede permitir obtener medidas de otros parámetros aparte de las temperaturas absolutas de la superficie, como por ejemplo profundidad a la que se encuentra el defecto, difusividad térmica, coeficiente de calor transmitido, medidas de flujo térmico o análisis tensional.

Ejemplos de detección de defectos en materiales aeronáuticos

La utilización de materiales compuestos es cada vez más extendida en la fabricación de fuselajes de aeronaves. Una prueba de ello es el gran aumento de los componentes fabricados con de estos materiales, principalmente CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics), en el Airbus A-380 y Boeing-7E7.

La lanzadera espacial reutilizable X-37 de la NASA bajo desarrollo tiene un 90% de la piel externa del fuselaje de grafito-epoxi, que es inspeccionada mediante TIR pulsada. Realizan estas inspecciones antes y después de ensayos de aplicación de carga full-scale para localizar la creación y propagación de defectos como desencolados. Mediante esta técnica también son llevadas a cabo inspecciones de daños en ensayos de impacto de espuma y hielo en las alas, bordes de ataque y cola son llevados a cabo utilizando esta técnica [7].

Los materiales metálicos están presentes en una gran cantidad de componentes estructurales de aeronaves. Del mismo modo que se desarrollan los materiales compuestos y en algunos casos en competencia con éstos, los fabricantes de elementos metálicos, ofrecen cada vez metales más avanzados como nuevas aleaciones de aluminio o de titanio. La TIR también es utilizada para la inspección rápida de defectos típicos como las grietas o la corrosión oculta en las estructuras metálicas.

El Centro de Tecnologías Aeronáuticas (CTA) está trabajando junto a Gamesa Desarrollos Aeronáuticos (GDA), Taucon e investigadores de UPV en un completo sistema de inspección para la detección de defectos típicos en aeronaves, tanto en metales como en compuestos (delaminaciones, desencolados, etc.) También incluye un procesamiento de imágenes de los defectos detectados combinado con un modelo matemático de comportamiento térmico de defectos. El objetivo final de este proyecto es conseguir un sistema de detección automático aplicable no solo en mantenimiento, sino también en control de calidad en línea de producción.

Las siguientes figuras muestran ejemplos de ensayos de TIR en materiales metálicos y compuestos. En la figura 2 se muestra el resultado de un ensayo de TIR sobre un componente de aeronave con piel de fibra de carbono. Mediante esta técnica se localizó una delaminación causada por un impacto en una zona con solape de laminados remachados que no pudo ser distinguida mediante un examen de ultrasonidos.

Figura 2. Arriba a la izquierda: fotografía de la zona inspeccionada. Arriba Probeta de fibra de carbono de 4 mm de espesor con delaminaciones provocadas a 0.95 mm (A), 1.25 mm (B) y.1.55 mm (C) de profundidad.

En la figura 3 se muestra el ensayo de TIR pulsada en una lámina de aluminio con diferentes agujeros ciegos a diferentes profundidades. Una reducción de espesor provoca que esa zona se vea más caliente y con mayor contraste de temperaturas cuanto mayor sea esta reducción. El efecto térmico de los defectos en materiales metálicos es muy rápido y es necesario realizar la grabación de los ensayos a alta velocidad. Además, la generalmente baja emisividad característica de los metales hace necesaria la aplicación previa de un recubrimiento que aumente la emisividad superficial permitiendo la detección de los contrastes térmicos causados por los defectos internos.

Figura 3. Probeta de aluminio. Fotografía de la probeta y termograma visto desde la cara plana sin agujeros.

El siguiente caso, mostrado en la figura 4, es el de la localización de dos grietas en un componente de una aeronave de aluminio con su recubrimiento de pintura original. Al principio del enfriamiento (figura 4, izquierda) se pueden apreciar las grietas entre las indicaciones térmicas producidas por la textura de la pintura en esa zona. Posteriormente se aprecia la respuesta típica de las grietas ante ensayos de este tipo (figura 4, derecha): se produce un salto de temperatura entre ambos lados de la grieta, ya que la grieta actúa como barrera al flujo de calor.

A continuación se muestra un ejemplo simple de la capacidad de un adecuado tratamiento de los datos de temperatura capturados en un ensayo de TIR para mejorar la visualización de los defectos, e incluso permitir localizar defectos invisibles en los termogramas originales.

Figura 4. Termogramas en diferentes tiempos de enfriamiento de dos grietas en una pieza de aluminio.

En la figura 5 a la izquierda y arriba, se ve la fotografía de una probeta de laminado de fibra de carbono de 1 mm de espesor. Esta probeta cuenta con cuatro agujeros ciegos mecanizados en una de sus caras a diferentes profundidades. Mediante un ensayo de TIR pulsada, calentando y observando la cara plana no taladrada, los cuatro agujeros se localizan con diferentes contrastes de temperatura y tiempos de aparición según su profundidad (aparecen antes y con mayor diferencia de temperaturas los más cercanos a a superficie ensayada).

Figura 5. Fotografía de probeta de laminado de fibra de carbono con agujeros a diferentes profundidades, termograma obtenido en ensayo de TIR pulsada e imagen optimizada mediante el tratamiento de datos.

Vemos un termograma resultante de este ensayo en la misma figura a la izquierda y abajo. Si tratamos este mismo termograma, por ejemplo, mediante un filtrado y un suavizado que reduzcan el ruido de fondo y una optimización de contrastes, se consigue aislar las zonas de defectos y además se aprecian delaminaciones a 45º partiendo de los agujeros mecanizados y de las esquinas de la probeta (figura 5 a la derecha). Estas indicaciones de la presencia de delaminaciones no son apreciadas en el termograma original.

Conclusiones

En el presente artículo se ha presentado una revisión de las diferentes técnicas de TIR y algunas ejemplos de sus aplicaciones. Los buenos resultados obtenidos con la TIR en materiales metálicos y compuestos utilizados en la industria aeronáutica nos lleva a pensar que estas técnicas pueden ser aplicadas con gran éxito en este sector. Las inspecciones de mantenimiento pueden beneficiarse de las características de estas técnicas como son su rapidez, la no necesidad de contacto, la capacidad de inspeccionar áreas relativamente grandes en un único ensayo, la portabilidad de equipos y sencillez de interpretación de los resultados. Del mismo modo, las técnicas de TIR pueden ser implementadas de forma efectiva en control de calidad en línea de procesos de producción.

Agradecimientos y referencias

Esta investigación ha sido llevada a cabo con el soporte del Gobierno Vasco. Agradecemos así mismo a Gamesa Desarrollos Aeronáuticos la cesión de componentes reales de aeronaves y su apoyo a este trabajo.

Theory and practice of infrared technology for Non-destructive Testing, Xavier Maldague, 2001
Non-destructive Testing Handbook Third Edition - Volume 3 Infrared and thermal testing, ASNT
Short course on infrared thermography applications, ENS Cachan 2002
Ultrasound excited thermography – advances due to frequency modulated elastic, Th. Zweschper, Institute of Polymer Testing and Polymer Science (IKP),