Tecnología de medición

El método ultrasónico para determinar la fuerza de pretensión se basa en la medición del cambio relativo del tiempo de tránsito ultrasónico en el tornillo. La onda ultrasónica se introduce en la junta con un transductor ultrasónico en la cabeza o el extremo del perno y atraviesa el perno. La onda ultrasónica se refleja en el extremo opuesto y regresa al punto de introducción. Se mide el tiempo transcurrido entre la transmisión del impulso y la recepción del eco (Fig. 1). El transductor ultrasónico actúa a la vez como emisor y receptor.

El tiempo de vuelo ultrasónico (inglés "time of flight" TOF) a lo largo del eje del tornillo muestra una clara dependencia del aumento de la tensión de tracción que se produce durante el apriete. El alargamiento provocado por el esfuerzo de tracción reduce la velocidad de desplazamiento del sonido. Ambos efectos actúan en la misma dirección y son lo suficientemente lineales como para que el cambio en el tiempo de tránsito entre una condición sin carga y con carga pueda utilizarse como medida directa de la carga aplicada. Hay que tener en cuenta la influencia de una temperatura que permanece constante a lo largo de la longitud del perno.

Para iniciar y recibir la señal ultrasónica, se conecta un transductor ultrasónico de película fina a la cabeza del tornillo o a la cara del vástago del tornillo (acoplamiento mecánico directo). El transductor se aplica en un proceso de vacío (inglés "sputtering") y se convierte en un elemento permanente del tornillo (Fig. 2). En comparación con el uso de un sensor ultrasónico móvil, esto tiene un efecto positivo en la precisión y reproducibilidad de los resultados de medición, ya que no se requiere ningún medio de acoplamiento adicional.

La determinación correcta de la fuerza de precarga F_M requiere una calidad suficiente de la señal de eco. El tamaño y la forma del eco recibido dependen en gran medida de la geometría del perno. Como en óptica, el ángulo de entrada corresponde al ángulo de salida para la reflexión de cada interfaz. Como elemento integrador, el transductor detecta todas las diferentes fracciones de eco recibidas simultáneamente con una señal de eco.

La precisión del resultado de la medición depende de varios factores. Se ve reducida, por ejemplo, por la dispersión de las propiedades mecánicas de los tornillos dentro de su lote (módulo de elasticidad, deformación transversal), por gradientes de temperatura en el material del tornillo y por interferencias durante la aplicación de la señal ultrasónica.

Para evitar interferencias molestas durante la formación del eco, se requiere un extremo plano de reflexión del tornillo. La superficie de la cabeza del tornillo con los transductores aplicados y el extremo de reflexión del tornillo deben ser paralelos. Esto favorece el retorno directo de las ondas ultrasónicas desde el extremo de reflexión al transductor. El error de medición con este método es de aprox. ± 3 %. Debido a la correlación no lineal entre la deformación y el tiempo de tránsito ultrasónico en el rango sobreelástico, el método no es muy adecuado para métodos de apriete demasiado elásticos, ya que se requiere un esfuerzo de calibración considerable. El método ultrasónico suele utilizarse para tornillos de tamaños comprendidos entre M4 y M100.

En los últimos años, se han instalado transductores ultrasónicos en más de 15.000 pernos de componentes de acero y de ingeniería mecánica y se ha determinado la fuerza de precarga F_M (Fig. 3). Los tornillos utilizados eran juegos de tornillos IHF compuestos por tornillos de cabeza cilíndrica o espárragos y tuercas redondas IHF. La fuerza de precarga F_M min requerida se aplicó hidráulicamente sin fricción ni torsión utilizando tensionadores de pernos ITH.

Los resultados de las mediciones demuestran que todas las uniones atornilladas pueden pretensarse con gran precisión y que es posible realizar una unión atornillada sin mantenimiento (Fig. 4).

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