Ultrasonido

ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

TTeemmaa 44..77..55

UULLTTRRAASSOONNIIDDOOSS

AAccttuuaalliizzaaddoo ppoorr:: JJuuaann VViicceennttee RRoosseellll GGoonnzzáálleezz

Julio 2004


ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. FUNDAMENTOS DEL MÉTODO 2.1. Ondas ultrasónicas 2.1.1. Propiedades de las ondas ultrasónicas. 2.1.2. Parámetros para definir una onda. 2.1.3. Tipos de ondas. 2.2. Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites

2.2.1. Incidencia perpendicular o normal 2.2.2. Incidencia angular

2.3. Geometría del haz ultrasónico 2.3.1. Campo próximo 2.3.2. Campo lejano

2.4. Eco y sombra de un obstáculo en un campo ultrasónico 2.4.1. Tamaño de la heterogeneidad 2.4.2. Morfología y aspecto superficial del defecto

2.5. Atenuación de las ondas ultrasónicas en los sólidos

3. EQUIPOS

3.1. Equipo generador y receptor de impulsos

3.2. Palpadores

3.2.1. Efecto piezoeléctrico.

3.2.2. Obtención de ondas ultrasónicas por impulsos. 3.2.3. Materiales piezoeléctricos: Propiedades. 3.2.4. Clasificación de los palpadores. 3.2.5. Frecuencia de excitación y dimensiones óptimas de los cristales piezoeléctricos.

3.3. Acoplantes y preparación de superficies

4. CALIBRACIÓN

5. TÉCNICAS OPERATORIAS 5.1. Ensayos con incidencia normal 5.2. Ensayos con incidencia angular

6. INSPECCIÓN ULTRASÓNICA DE UNIONES SOLDADAS. 6.1. Capacidad de inspección.

6.1.1. Forma geométrica 6.1.2. Acabado superficial 6.1.3. Estructura metalúrgica

6.2. Detectabilidad 6.3. Técnicas operatorias

6.3.1. Examen con palpadores de incidencia normal 6.3.2. Examen con palpadores de ondas transversales. Incidencia angular

6.4. Exploración 6.5. Interpretación

6.5.1. Situación 6.5.2. Forma 6.5.3. Orientación 6.5.4. Tamaño

7. NORMATIVA APLICABLE

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -1-


1. INTRODUCCIÓN

Los ultrasonidos son ondas acústicas de frecuencias elevada por encima de la zona audible, de naturaleza mecánica o elástica. En la figura 1 se representa el espectro audible

-CURSO DE FO

Los métod

• Cont

• Cara

• Metro

2. FUNDAM

2.1.- Ondas

2.1.1.- Propi

• Frdeult

• Nevib

• Entraca

RMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -2-

FIGURA 1

ESPECTRO ACÚSTICO

os de ensayos por ultrasonidos se utilizan principalmente para tres aplicaciones distintas:

rol de calidad: Aplicación como END para la detección de heterogeneidades.

cterización de materiales: Determinación de sus propiedades.

logía: Medición de espesores.

ENTOS DEL MÉTODO

ultrasónicas.

edades de las Ondas ultrasónicas.

ecuencias entre 0’5 MHz y 25 MHz. Gran parte de las propiedades de las ondas acústicas no penden de la frecuencia, por lo que son comunes, tanto a las ondas sónicas como a las rasónicas.

cesidad de un medio físico para propagarse donde existan átomos o moléculas capaces de rar, por lo que tendrán lugar tanto en gases, líquidos y sólidos.

su propagación pierden energía vibratoria que se transforma en calor, a causa de la nsformación de su energía vibratoria en calor → Atenuación de la onda, en función de las racterísticas del material.


• La propagación de la onda ultrasónica se realiza mediante una oscilación sinusoidal al igual que una oscilación elástica de una partícula de material (figura 2).

2.1.2. Parámetro

• Frec

o

o

o

• Longencu

• Velo

• Amp

• Presmay

• Velooscil

• Impevibra

• Enerunid

• Intentiem

-CURSO DE FORMA

FIGURA 2

OSCILACIÓN SINUSOIDAL DE UN PÉNDULO DE RESORTE

s para definir una onda.

uencia (ƒ): Es el número de oscilaciones de una partícula dada por segundo:

Frecuencia infrasónica: f < 16 Hz

Frecuencia sónica: 16 < f < 20 kHz

Frecuencia ultrasónica: 20 kHz < f

itud de onda (λ): Distancia entre dos planos consecutivos en las cuales las partículas se entran en el mismo estado de movimiento.

cidad acústica (C): Velocidad de propagación de la onda.

litud de Oscilación (A): Es el desplazamiento máximo de una partícula de su posición cero.

ión Acústica (P): En los puntos de gran densidad de partículas, la presión es también or que la presión normal, mientras que en las zonas dilatadas es menor.

cidad instantánea de vibración (V): Es la propia de la partícula en su movimiento atorio.

dancia acústica (Z): Es la relación entre la presión acústica y la velocidad máxima de ción.

gía acústica específica (Ee): Energía transportada por la onda por unidad de área en la ad de tiempo.

sidad acústica (I): Es la cantidad de energía que pasa por unidad de área en la unidad de po.

CIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -3-


2.1.3. Tipos de ondas

Los tipos de ondas existentes son los siguientes:

• Onda longitudinal: la oscilación tiene lugar en la dirección de propagación de la onda. Debido a que en ellas están activas fuerzas de comprensión y dilatación, se denominan también ondas de presión o compresión, figura 3.

• Onond

• Onsolde tra

-CURSO DE FORM

FIGURA 3 ONDAS LONGITUDINALES (MEDIO ILIMITADO)

da transversal: La oscilación se produce en dirección transversal a la de propagación de la a. Requiere un medio sólido capaz de transmitir esfuerzos de cizalladura, figura 4.

FIGURA 4 ONDAS TRANSVERSALES (MEDIO ILIMITADO)

das de superficie o de Rayleigh: Las ondas de superficie o de Rayleigh se propagan amente en la periferia plana o curva de un sólido semi-infinito, siguiendo las irregularidades la superficie o contorno del mismo. Se puede considerar como un tipo especial de onda

nsversal, figura 5.

ACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -4-


FIGURA 5 ONDAS DE SUPERFICIE O DE REYLEIGH

• Ondas de Lamb: Sque la onda puramonda sea consideraonda, se producenoscilación de partíc

Los dos tipos bási

− Onda sim

− Onda asi

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIE

FIGURA 6 ONDAS TRANSVERSAL PARALELA A LA SUPERFICIE

i el sólido semi-infinito se reduce en espesor, se obtiene una chapa en la ente de superficie ya no puede existir como tal, a no ser que su longitud de blemente inferior. Cuando el espesor es del mismo orden que la longitud de

varios tipos de ondas de chapa, que presentan, siempre componentes de la ulas en ángulo recto a la superficie.

cos de estas ondas de chapa o de Lamb, son:

étrica o de dilatación.

métrica o de flexión.

FIGURA 7 ONDA DE LAMB SIMÉTRICA O DE DILATACIÓN.

(MEDIO LIMITADO)

FIGURA 8

ONDA DE LAMB ASIMÉTRICA O DE FLEXIÓN (MEDIO LIMITADO)

ROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -5-


A diferencia de lo que ocurre con las ondas longitudinales, los gases y los líquidos, son prácticamente incapaces de transmitir ondas transversales.

Ambos tipos de ondas, longitudinales y transversales, son ondas ideales ya que pueden producirse únicamente en medios infinitos. Si el medio es limitado, se producirán reflexiones en las superficies y como consecuencia las alteraciones producidas en su propagación por fenómenos de reflexión y refracción, dan lugar a la aparición de otros tipos de ondas.

2.2. Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites.

Una superficie límite es aquella que separa dos medios con propiedades elásticas diferentes. Vamos a estudiar dos casos:

2.2.1. Incidencia perpendicular o normal.

Si una onda acústica plana incide perpendicularmente sobre una superficie plana que separa dos medios diferentes:

• Una parte de la onda se refleja y vuelve en la misma dirección que la onda incidente.

• Otra parte se propaga en el segundo medio manteniendo su dirección y su sentido.

En la figura 9 aparece representado este hecho:

COMP

Se demuestra fácilmen

• Si las impedanciperturbada

• Si las impedancialíquidos) las onda

-CURSO DE FORMACIÓN DE

FIGURA 9 ORTAMIENTO DE LAS ONDAS ULTRASÓNICAS EN INCIDENCIA PERPENDICULAR

te que:

as acústicas son iguales en ambos medios, la onda atraviesa la superficie sin ser

s acústicas difieren mucho (caso del aire y de los gases en contacto con salidas o s son rechazadas prácticamente en su totalidad.

INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -6-


2.2.2.- Incidencia angular.

Si la onda misma onda del caso anterior incide oblicuamente en una superficie límite plana que separa dos medios con un ángulo de incidencia αi, se producen los siguientes fenómenos físicos:

• Aparecen ondas reflejadas y refractadas, análogas al caso anterior.

• El tipo de onda no se conserva, pudiendo transformarse en otro, es decir, las ondas longitudinales en transversales y viceversa.

En la figura 10, se aprecia el desdoblamiento que sufren, tanto la onda reflejada como la transmitida, en una onda longitudinal y otra transversal, resultando que una onda incidente da lugar a cuatro ondas cuando los dos medios son cuerpos sólidos.

Las direcciones de las ondas reflejadas y transmitidas viene dadas por la ley general siguiente:

2

1

2

1

cc

sensen

=αα

[1]

Siendo 1 y 2 dos ondas cualquiera con velocidades acústicas C1 y C2.

De [1] se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Si la onda incidente y la reflejada son del mismo tipo, forman el mismo ángulo con la normal a la superficie límite αi = αr ya que poseen la misma velocidad acústica.

• Dado que la velocidad de las ondas transversales es menor que la de las longitudinales, los ángulos de reflexión o de refracción de las ondas longitudinales serán mayores que los ángulos respectivos de reflexión o de refracción de las ondas transversales. (αrL > αrT ; αtL >αtT).

-

FIGURA 10 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE UNA ONDA INCIDENTE OBLICUA SOBRE UNA SUPERFICIE LÍMITE ENTRE DOS CUERPOS SÓLIDOS

CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -7-


En los cuerpos sólidos se puede hacer desaparecer aisladamente la onda longitudinal refractada en el medio 2, transmitiéndose exclusivamente la onda transversal, con lo que el ensayo se simplifica. Esto se puede conseguir mediante la reflexión total de la onda longitudinal refractada. La conclusión límite para conseguir este efecto se obtendrá cuando αtL= 90º es decir con los siguientes ángulos de incidencia críticos

2

1

2

1

L

TiT

L

LiL C

CsenCCsen == αα

Siempre que: CL1 ≤ CL2 y CT1 ≤ CL2

De acuerdo con este proceso, se puede también lograr que la onda transversal trasmitida en el medio 2, alcance el caso límite de la reflexión total es decir αtL= 90º. Los ángulos críticos de incidencia, serán en este caso:

2

1

2

1

T

TiT

T

LiL C

CsenCCsen == αα

Siempre que: CL1 ≤ CT2; CT1 ≤ CT2

En este caso límite las ondas transversales, no se propagaran como tales, sino como ondas de superficie. En la práctica este efecto se aprovecha para generar ondas de superficie, si bien se obtiene la máxima energía de transmisión con un ángulo de incidencia ligeramente mayor que el ángulo crítico.

A continuación se expresan las leyes de reflexión y refracción para los dos casos: onda incidente longitudinal y onda incidente transversal.

LEYES DE LA REFLEXIÓN Y DE LA REFRACCIÓN

(a) Onda incidente longitudinal (b) Onda incidente transversal

;11

1 ==L

L

rL

iL

CC

sensen

αα

;11

1 ==T

T

rT

iT

CC

sensen

αα

αiL = αrL

;11

1 ==T

L

rT

iL

CC

sensen

αα

αiL = αrL > αrT

12

1 ==L

L

tL

iL

CC

sensen

αα

αtL > αtT

12

1 ==T

L

tT

iL

CC

sensen

αα

αiL = αrL

;11

1 ==T

T

rL

iT

CC

sensen

αα

αiL = αrL > αrT

12

1 ==T

T

tT

iT

CC

sensen

αα

αtL > αtT

12

1 ==L

T

tL

iT

CC

sensen

αα

Igualmente los valores de la presión acústica de las ondas reflejadas y transmitidas, son función de los ángulos de incidencia, las velocidades y las impedancias acústicas de los materiales.

2.3. Geometría del haz ultrasónico

Debido a la superposición del fenómeno de difracción y del efecto de los bordes, se produce en la onda plana, en su proximidad al oscilador, un campo con máximos y mínimos de presión acústica, es decir un



fenómeno de interferencia del campo ultrasónico, similar al producido detrás de un diafragma, según el principio de Huygens, figura 11.

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGENI

INTERFE

Pasada una cierta distancia comienza a disminuir de forma

• El campo próximo, don

• El campo lejano, donde

2.3.1.- Campo próximo

La interferencia inicial generúnico máximo en el eje. Este úfigura 12 (a).

El campo próximo también hasta un punto en el cual un resu máxima altura de eco.

Su longitud, N, se determina

Para longitudes de onda munos queda:

EROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -9-

FIGURA 11

RENCIAS EN UN CAMPO ULTRASÓNICO DETRÁS DE UN DIAFRAGMA

se alcanza un único máximo en el centro del haz que a partir de este punto continua, de este modo se distinguen dos zonas en el Haz:

de existe la estructura de máximos.

existe un único máximo que decrece progresivamente.

a la aparición de varios máximos adyacentes que acaban por confluir en un ltimo máximo de presión acústica determina el fin del campo de interferencia,

se puede definir como la distancia que existe desde el cristal del palpador ceptor de muy pequeño tamaño, proporciona su máxima reflexión y por tanto

por la relación entre el diámetro del oscilador D y la longitud de onda λ:

λλ

4

22 −=

DN

y cortas comparadas con el diámetro del oscilador, se pueden despreciar λ y

πλλλSRDN ===

22

4


siendo: R = radio oscilador

S = superficie

2.3.2.- Campo lejano.

A continuación del campo próximo el máximo de presión sonora decrece de forma progresiva, en lo que se conoce como campo lejano. Éste presenta una forma cónica, la cual queda definida por la divergencia del haz o sea el ángulo que de acuerdo con la teoría de difracción viene dado por

DSen o

λγ 2,1=

En los materiales sólidos, estas hipótesis simplificadas no tienen en cuenta los diversos tipos de onda que, por ejemplo acompañan a una onda longitudinal, tales como ondas transversales y de superficie, y que pueden dar lugar a dificultades en determinadas circunstancias.

En la figura 12 (b) aparece representada la variación de la presión máxima en el campo lejano, y en la figura 12 (c) la variación de la presión acústica en general. La figura 12 (d) representa el aspecto conjunto de ambos campos, próximo y lejano.

(a) Ca

(b) T

-CURSO DE F

mpo próximo a un oscilador en una onda plana continua y distribución de la presión acústica en las secciones transversales a = O, N/2 y N (D/λ = 16).

ra

O

nsición desde el campo próximo al campo lejano, con la distribución de la presión acústica en las secciones transversales a = N, a = 3N y a = 6N.



-CURS

(

2.4. E

Cuprese

•

•

Demeno

2.4.1.

•

c) Presión acústica P, a lo largo del eje del oscilador. (La línea de trazos corresponde a la presión acústica de una onda esférica).

O DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -11-

(d) Representación simplificada del campo ultrasónico. FIGURA 12

CAMPO PRÓXIMO Y CAMPO LEJANO DE UN OSCILADOR

co y sombra de un obstáculo en un campo ultrasónico

alquier heterogeneidad presente en un material constituye un obstáculo para una onda acústica, cuya ncia se pondrá de manifiesto:

Por su “eco” → Método de eco.

Por su “sombra” → Método de transmisión.

pendiendo de la morfología del defecto, dimensiones, aspecto superficial,... dicho defecto será más o s detectable. Veamos la influencia de estos:

- Tamaño de la heterogeneidad.

Si la heterogeneidad es grande y tiene una forma regular, se podrá obtener de su eco o de su sombra información suficiente que permitirá, basándose en conceptos geométricos-ópticos, determinar sus características.


• Si la heterogeneidad es pequeña, lo que frecuentemente ocurre en la realidad, aparecerán fenómenos de interferencia, tanto en el eco como en la sombra.

Los fenómenos de interferencia dependerán del tamaño de la heterogeneidad, pero no a su tamaño real, sino al referido a la longitud de onda que se utilice. En este sentido se pueden clasificar los obstáculos en tres categorías:

o Obstáculo muy pequeño en relación con la longitud de onda.

o Obstáculo del mismo orden de tamaño que la longitud de onda (obstáculo pequeño).

o Obstáculo grande en relación con la longitud de onda.

Cuando se trate de un obstáculo mayor que la sección del haz (figura 13), podremos aplicar para su examen el método de Eco o el de transmisión.

• En el primer caso, cuando se coloque el palpador sobre una zona de la pieza que no tenga defecto, se obtendrán en la pantalla del T.R.C. varios ecos de fondo separados entre si distancias que será equivalentes al espesor del elemento. Si se pone el palpador sobre una zona en la que hay defecto toda la presión acústica se reflejará en la hoja, con lo cual desaparecerán los ecos de fondo y aparecerán los ecos correspondientes a la heterogeneidad. En el momento en que se coloque el palpador exactamente sobre el borde de la discontinuidad, una parte del haz será reflejada por la pared posterior del elemento y otra por la discontinuidad apareciendo en pantalla los ecos correspondientes a cada una de ellas.

• En caso de aplicarse el método de transmisión la señal desaparecerá y aparecerá cuando nos salgamos del defecto.

Cuando se trata de defectos menores que la sección del haz, el problema es más complejo. En este caso, figura 13 (a), el defecto quedará dentro del haz, obteniéndose una disminución del haz en la señal transmitida que dependerá de las dimensiones del defecto.

• Si se emplea el método de eco, se obtendrán simultáneamente ecos que precederán tanto del defecto, como de la parte en que no los hay. Dichos ecos aparecerán en pantalla, en consonancia con la distancia a que se encuentre el defecto y la pared posterior. La profundidad a que se halle el defecto puede determinarse en función de la posición que ocupe el eco intermedio, cuya altura nos proporcionará información acerca de su tamaño al ser comparada con la altura del eco de fondo y tener en cuenta la ley que relaciona la variación de la altura de los ecos con la distancia entre el

-

defecto y el palpador.

a) Obstáculo menor que la sección del haz b) Obstáculo mayor que la sección del haz

FIGURA 13 TAMAÑO DEL OBSTÁCULO CON RELACIÓN AL HAZ ULTRASÓNICO



2.4.2. Morfología y aspecto superficial del defecto.

Los posibles defectos o heterogeneidades que pueden encontrarse en una unión soldada, presentan morfologías muy variadas, por lo cual no es fácil determinar su tamaño mediante cálculo. No obstante en primera aproximación, se pueden aproximar a una discontinuidad de forma circular cuyo plano es perpendicular al haz de ultrasonidos. En la práctica se utilizan para este fin taladros de fondo plano.

Las heterogeneidades naturales presentan superficies irregulares y rugosas y que, además, no siempre su superficie reflectante principal es perpendicular al haz de ultrasonidos, razón por la cual, darán lugar, en la práctica, a ecos o señales menores que las que se obtengan de la discontinuidad ideal de sección circular.

2.5. Atenuación de las ondas ultrasónicas en los sólidos

Los materiales sólidos, dan lugar a unos efectos más o menos pronunciados, de atenuación que se traducen en una debilitación de los ultrasonidos, debido a dos causas: la dispersión y la absorción.

• La dispersión es debida a que los materiales no son estrictamente homogéneos. Contienen superficies límites pequeñas (heterogeneidades, fases en la estructura cristalina de los metales, límites de grano, etc) en las que la impedancia acústica cambia bruscamente, debido a la diferente densidad o velocidad acústica de los materiales, de naturaleza, condición o estado diferentes en dichas superficies.

• La absorción es una condición directa de la energía acústica en calor. Se puede explicar la absorción de una forma elemental, como un efecto de frenado de la oscilación de las partículas, lo cual explicaría también por qué una oscilación rápida pierde más energía que una oscilación lenta. La absorción aumenta generalmente con la frecuencia pero en menor grado que la dispersión.

Ambas pérdidas limitan las posibilidades de los Ensayos no destructivos, pero según dos vertientes:

• La absorción pura debilita la energía transmitida o la amplitud del eco, tanto de la heterogeneidad como del eco de fondo. Para contrarrestar este efecto hay que incrementar la tensión de emisión y la amplitud o recurrir al empleo de frecuencias más bajas.

• La dispersión es mucho más perturbadora, ya que en el método de impulso-eco no sólo reduce la amplitud del eco de la heterogeneidad y la del eco de fondo, sino que, además, produce numerosos ecos parásitos con diferentes recorridos (césped) en los que los verdaderos ecos pueden quedar enmascarados. El único medio de contrarrestar este efecto de césped es emplear frecuencias más bajas, lo cual establece un límite natural e insuperable para la detección de heterogeneidades pequeñas.

3. EQUIPOS

El equipo necesario para llevar a cabo una inspección ultrasónica está compuesto por: el equipo generador y receptor de impulsos, los palpadores y el acoplante.



3.1. Equipo generador y receptor de impulsos

Dada la gran diversidad de aplicaciones de los ultrasonidos existe una gran variedad de equipos, no siendo posible dar un esquema universal de los mismos. Por cuánto a su aplicación en el campo de los Ensayos no destructivos, según la finalidad del ensayo, los equipos serán distintos entre sí.

Tal y cómo se muestra en el esquema de la figura 14, el equipo de ultrasonidos está constituido básicamente por:

• Sistema de sincronismo: que cumple las siguientes funciones: Generar la tensión de reflexión horizontal (Generador de barrido de la base de tiempos, mando de distancias), generar la señal de sincronización para la emisión de impulsos de alta frecuencia (frecuencia de repetición de impulsos) y controlar la luminosidad del pincel electrónico.

• Generador de alta frecuencia: Esta unidad genera los impulsos eléctricos de alta energía al recibir la señal de sincronización producida por el sistema de sincronismo. La señal de emisión o inicial se produce al enviar el generador al amplificador una fracción de energía muy reducida del impulso eléctrico transmitido al emisor, de manera que el punto de arranque de ésta señal es el origen de tiempo de la pantalla.

• Amplificador: su misión es amplificar la señal que los impulsos acústicos generan cuando llegan al receptor hasta el valor requerido para el funcionamiento del T.R.C. El amplificador está controlado por un potenciometro.

• Sistema de representación: El más utilizado consiste en un tubo de rayos catódicos T.R.C. con pantalla de tipo A en la que las indicaciones aparecen como deflexiones verticales de la base de tiempos. Existen otros sistemas de representación pero que serán aplicables a las inspecciones automáticas.




FIGURA 14 ESQUEMA BÁSICO DE UN EQUIPO DE ULTRASONIDOS

3.2. Palpadores

3.2.1. Efecto piezoeléctrico.

Consiste en una acumulación de cargas eléctricas en la superficie de un material cuando se le somete a una presión mecánica externa, generándose una diferencia de potencial. Se emplea para medir presiones, deformaciones y oscilaciones.

El fenómeno inverso, consiste en la deformación que sufre el material cuando se le aplica una diferencia de potencial. Se utiliza para producir o generar presiones, deformaciones y oscilaciones o lo que es igual, como generador de ultrasonidos.


La figura 15 muestra el funcionamiento del efecto piezoeléctrico.

-

3

map

c

rain

p

3

s


Efecto directo:

Voltaje eléctrico → Oscilación mecánica

Efecto indirecto:

Oscilación mecánica → Voltaje eléctrico

FIGURA 15

EFECTO PIEZOELÉCTRICO DIRECTO E INVERSO.

.2.2. Obtención de ondas ultrasónicas por impulsos.

Utilizando las anteriores propiedades de los materiales piezoeléctricos, se puede medir presiones por edio de la diferencia de potencial asociada y viceversa, se puede generar presiones mediante la plicación de una diferencia de potencial, existiendo una relación proporcional entre la deformación sufrida or el material y la diferencia de potencial asociada

Para la generación de ondas ultrasónicas se utiliza un cristal piezoeléctrico que se excita mediante hoques o impulsos (tiempos de actuación de la excitación muy cortas).

Para evitar que su propagación se prolongue excesivamente; o lo que es lo mismo que los impulsos esulten demasiado largos, se adosa a una de las caras del oscilador un material de gran poder de mortiguación. La otra cara del oscilador se aplica bien directamente sobre la pieza de ensayo o por termedio de un material plástico protector. Esto permite obtener impulsos de pocas vibraciones.

Cuando se emplea el método de transmisión para el cual no son siempre adecuados impulsos cortos, se uede prescindir de la amortiguación artificial.

.2.3. Materiales piezoeléctricos: Propiedades.

Entre los distintos materiales piezoeléctricos que se utilizan habitualmente, podemos mencionar los iguientes:

• Cuarzo (SiO2): Es mal emisor, resistente a la temperatura, al envejecimiento y al desgaste.


• Sulfato de litio (SO4Li): Es mejor receptor que el cuarzo, tiene buen poder de resolución y no es utilizable a más de 75ºC.

• Titanato de bario (TiO3Ba): Es el mejor emisor, tiene mal acoplamiento y amortiguación debido a su alta impedancia acústica y trabaja a frecuencias menores de 15MHz.

• Metaniobato de plomo (MB2O6Pb): Es buen emisor, resistente a la temperatura y su utilización está limitada a frecuencias altas. El efecto piezoeléctrico es el más utilizado para la generación y recepción de las ondas ultrasónicas, en su aplicación a los métodos de ensayo no destructivo.

Los palpadores pueden generar ondas longitudinales, transversales y de superficie:

• Las ondas longitudinales se generan mediante los osciladores piezoeléctricos en forma de disco, de cristales o materiales cerámicos polarizados y vibrando en la dirección de su espesor.

• Las ondas transversales, se generan, casi exclusivamente, aprovechando los fenómenos de transformación o conversión de ondas que se producen al incidir una onda longitudinal oblicuamente a la superficie de la muestra a ensayos, de acuerdo con las leyes de la refracción.

• Basándose en los mismos principios que la generación de ondas transversales, se generan las ondas de superficie.

3.2.4. Clasificación de lo palpadores.

En la actualidad, existe una gran diversidad de tipos de palpadores, como consecuencia de la gran diversidad de técnicas operatorias aplicables a los más diversos y complejos casos de examen por ultrasonidos.

Los palpadores se pueden clasificar los siguientes grupos:

• Palpadores de contacto.

o De incidencia Normal.

Cristal único: E + R

Doble cristal E – R

De cristal múltiple

Para ensayos a alta temperatura.

o De incidencia angular.

• Palpadores de inmersión.

A continuación, describiremos los palpadores de contacto con incidencia normal y con incidencia angular.



Palpadores de contacto con incidencia normal

Se emplean en inspecciones de pulso - eco, transmisión y resonancia y se aplican a problemas como: defectología, metrología y caracterización. Llevan incorporados osciladores diseñados para emitir ondas longitudinales.

Según el número de cristales osciladores que lleven incorporados, se pueden considerar dos tipos.

• Palpador de cristal único (emisor - receptor).

La figura 16 nos muestra el esquema de uno de estos palpadores. Se observa que además del cristal piezoeléctrico, a) consta de una caja o montura metálica, b) que protege el conjunto, el amortiguador del cristal, c) el hilo conductor eléctrico, d) y la conexión.

a) Cristal piezoeléctrico b) Caja o montura metálica c) Amortiguador d) Conductor e) Conexión

FIGURA 16 PALPADOR DE CRISTAL ÚNICO

El amortiguador, c), del cristal es un elemento indispensable en los equipos que operan por el método de impulso - eco. Sus finalidades concretas son las siguientes:

• Reducir el tiempo de oscilación del cristal.

• Absorber las ondas que pudieran interferir.

• Soportar mecánicamente el piezoeléctrico.

De estas tres finalidades quizá la primera sea la más importante porque la duración del impulso acústico define la zona muerta del palpador, en la cual no será posible detectar la presencia de heterogeneidades, porque las posibles indicaciones quedarían enmascaradas.

• Palpador de doble cristal (uno emisor y otro receptor).

Este tipo de palpadores, trata de resolver el problema de la zona muerta que se presenta en los palpadores de un solo cristal, que impide o dificulta la detección de heterogeneidades próximas a la superficie de inspección.



-CURSO DE FORMA

Estos palpadores constan de dos cristales perfectamente aislados (figura 17) eléctrica y acústicamente por una lámina de corcho o policloruro de vinilo.

Uno de los cristales actúa solo como emisor y el otro como receptor. Ambos cristales se montan, con una cierta inclinación, sobre una columna de plástico que produce un cierto efecto localizador, de forma que concentra el haz ultrasónico para conseguir máxima sensibilidad en las proximidades de la superficie.



-CURSO DE FORMA Tema 4.7.5 -20-CIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

FIGURA 17

PALPADOR DE DOBLE CRISTAL

Palpadores de contacto con incidencia angular

Consisten en esencia, en un oscilador de ondas longitudinales aplicado a una de las caras de un prisma de plástico (generalmente perpex), tallado con un ángulo de incidencia adecuado al ángulo de refracción o de penetración que se desea para un determinado material.

Los elementos de un palpador angular así cómo su disposición son los que figuran en el esquema de la figura 18.

FIGURA 18

1) Cristal piezoeléctrico 2) Prisma de plástico 3) Amortiguador 4) Protector metálico o montura 5) Conexión

PALPADORES ANGULARES


Teniendo en cuenta las leyes de la refracción, se deduce que siempre que CL1 ≤ CL2 y CT1 ≤ CL2, exista un ángulo de incidencia límite por encima del cual dejan de coexistir los diferentes modos de onda en el medio 2, quedando solo la onda transversal. De otra parte, conociendo los valores de las velocidades acústicas, en cada uno de los materiales y el modo de onda existente en cada uno, es posible calcular los valores de estos ángulos de incidencia.

Refiriéndonos el caso de la inspección de uniones soldadas, será preciso tener en cuenta la superficie límite perpex/material a inspeccionar, el objeto de encontrar los valores de los ángulos límite para los cuales se propagaran ondas transversales en estos materiales.

Los palpadores más corrientes, refiriéndonos al acero , se construyen para ángulos de refracción de 35, 45, 60 y 70o. A estos ángulos se les suele llamar ángulos de entrada.

3.2.5. Frecuencia de excitación y dimensiones óptimas de los cristales piezoeléctricos: Elección del palpador

El haz ultrasónico en virtud de su frecuencia, relativamente elevada, posee propiedades claramente direccionales, de manera que puede ser enfocado en la dirección deseada. Esta direccionalidad es tanto unas acusada cuánto mayor es el diámetro del cristal del emisor.

En la figura 19 se observa la influencia de la frecuencia de excitación y del diámetro del cristal piezoeléctrico sobre los parámetros a tener en cuenta en la realización de un ensayo: longitud del campo próximo (N), divergencia del haz (γ), penetración (P) y sensibilidad (S).

-CURSO DE F

ORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -21-

FIGURA 19

VARIACIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL ENSAYO N, S Y P EN FUNCIÓN DE LA FRECUENCIA . LAS FLECHAS SEÑALAN EL SENTIDO MÁS FAVORABLE


VARIAC

3.3. Acop

El acoplmejor acopsufra la me

Como aagentes hu

El acoplsometida a

Pese al para permimplica, eninterferir esuperficie dser confund

-CURSO DE F

FIGURA 19 (CONTINUACIÓN) IÓN DE LOS PARÁMETROS DEL ENSAYO EN FUNCIÓN DE LA FRECUENCIA Y EN FUNCIÓN DEL DIÁMETRO DEL CRISTAL

PIEZOELÉCTRICO

lantes y preparación de la superficie

ante es un medio que se interpone entre el palpador y la superficie del material para mejorar el lamiento acústico de forma que la onda generada o recepcionada por el cristal piezoeléctrico nor pérdida de energía posible en la unión entre dichos elementos.

coplantes suelen utilizarse los siguientes: Aceites, geles, soluciones jabonosas y agua (con mectantes y correctores de dureza).

ante no debe ejercer ninguna acción que pueda afectar al estado de la superficie de la pieza examen.

uso de un acoplante, las superficies de la pieza deberán estar lo suficientemente limpias y lisas itir una buena transmisión ultrasónica entre el palpador y el objeto sometido a examen. Esto el caso de soldaduras, que estén exentas de proyecciones y de cualquier rugosidad que pueda l libre movimiento del palpador o que pueda afectar al buen comportamiento del mismo. La el cordón estará terminada de tal forma que no enmascaren o produzcan reflexiones que puedan idas con ecos producidos por discontinuidades.

ORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -22-


4. CALIBRACIÓN

Como operación previa al proceso de inspección por ultrasonidos, es necesario proceder, en primer lugar a una comprobación satisfactoria del estado de funcionamiento del equipo. Para ello deberán comprobarse una serie de parámetros (linealidad vertical, proporcionalidad del control de amplificación y la apertura del haz).

Efectuada ésta comprobación es necesario calibrar el conjunto de: equipo palpador o palpadores y cables de conexión que vayan a ser utilizados. Las correspondientes especificaciones o códigos aplicables establecerán los requerimientos específicos y la periodicidad de cada calibración.

Para la realización práctica, tanto de la comprobación del equipo como de la calibración del sistema, existen varios tipos de bloques o piezas de referencia.

En nuestro caso concreto de inspección de uniones soldadas, los bloques de calibración que podrán ser utilizados, son los siguientes:

• Bloque normalizado por el instituto internacional de la soldadura (IIS/IIW).

• Bloque tipo ASME.

• Bloques auxiliares para referencia.

La figura 20 muestra el bloque V.1 del Instituto internacional de la soldadura, como ejemplo de un bloque de calibración. Veamos dos ejemplos de calibración:

• Determinación del punto de salida del eje del haz ultrasónico. Se realiza moviendo el palpador angular alrededor del centro del cuadrante hasta conseguir la indicación de máxima altura. El punto de la suela del prisma del palpador que coincida con la ranura de la pieza patrón será el de la salida del eje del haz ultrasónico. Figura 21.

• Determinación del ángulo real de refracción del palpador. Se busca la indicación de máxima altura del taladro grande. El valor del ángulo marcado sobre la pieza patrón que caiga bajo el punto de salida del eje del haz ultrasónico representará el ángulo real de refracción del palpador angular. Figura 22.



FIGURA 20 BLOQUE V-I NORMALIZADO SEGÚN IIS/IIW



-CURSO DE FORMACIÓN



DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -25-



5. TÉCNICAS OPERATORIAS

En los ensayos por ultrasonidos de los materiales, las técnicas operatorias vienen, establecidas principalmente por la naturaleza del problema y por la muestra de ensayo. En nuestro caso el fin es detectar discontinuidades (defectología).

En relación con los problemas de detección de heterogeneidades, las técnicas operatorias deben adecuarse a la naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño de las mismas y muy especialmente en lo que respecta a su morfología, orientación y posición.

En general habrá que determinar;

• Tipos de onda:

o Longitudinal, transversales, de superficie, de lamb,...

• Tipo de incidencia:

o Normal o angular a la superficie de la muestra.

• Método de operación:

o Métodos de pulso - eco y transmisión bien por contacto o bien por inmersión d

Además se cuenta con una gran variedad de palpadores cuyas características propias (frecuencia, diámetro y disposición) unidas a las del propio equipo de ultrasonidos permiten conjugar los diversos parámetros del ensayo (campo próximo, divergencia del haz, penetración, sensibilidad, poder de resolución, transmisión a través de la superficie de exploración, etc) y establecer las condiciones óptimas del ensayos.

Los medios disponibles son pues numerosos y variantes, lo que abre un campo amplio de posibilidades, cubiertas por una gran gama extensa de técnicas operatorias.

A continuación hacemos una breve exposición de las posibilidades de algunas de las técnicas operatorias.

5.1. Ensayos con incidencia normal

Se aplican en los métodos de impulso - eco figuras 23 y 24 y en los de transmisión, empleándose ondas longitudinales en casi todos los ensayos.

Generalmente, la incidencia normal a la superficie de exploración se aplica en los ensayos de muestras de forma geométrica simple y en la medición de espesores.

Se detectan perfectamente heterogeneidades de morfología laminar cuyo plano principal sea perpendicular al eje del haz, así como también heterogeneidades de morfología esférica o cilíndrica.

Para la realización del ensayo, la superficie de exploración debe ser fácilmente accesible.

En los ensayos por pulso - eco se emplean palpadores de cristal único (E+R) o de cristal doble (E-R). En los ensayos por transmisión son necesarios dos palpadores del tipo de cristal único.


-CURSO

DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -27-

FIGURA 23 EJEMPLOS DE ENSAYO POR PULSO – ECO


E

Se pueden

• Té

-CURSO DE FO

FIGURA 24 SQUEMA SIMPLIFICADO DE UN EQUIPO DE MEDIDA DE INTENSIDAD Y TIEMPO (MÉTODO DE PULSO – ECO)

aplicar dos técnicas distintas.

cnica de eco simple.

o Si se opera por contacto, esta técnica consiste en graduar la base de tiempo de manera que la anchura total de la plantilla del TRC represente el espesor o zona del material cuyo examen sea de interés.

La indicación del primer eco de fondo procedente de la superficie opuesta de la muestra aparecerá en el extremo de la derecha de la pantalla, figura 25 (a).

Una indicación situada entre la señal inicial y la de fondo denotará la existencia de una heterogeneidad, situada en el punto que corresponda con el de la escala antes definida.

o Si se opera por inmersión y se mantiene la indicación del primer eco de fondo en el extremo de la derecha de la pantalla, se tendrán las mismas condiciones anteriores más la correspondiente al eco de la interfase o superficie líquido-sólido. Esta indicación se puede desplazar al lugar de la señal inicial mediante los mandos de sincronización del equipo de forma que se obtenga, al igual que en el caso anterior, una escala de tiempos que represente el espesor de la pieza.




FIGURA 25

INCIDENCIA NORMAL

• Técnica por ecos múltiples.

o Para aplicarla se precisa que la pieza presente dos superficies paralelas entre si.

o En ausencia de heterogeneidades se presenta una distribución uniforme de los ecos. La aparición de ecos intermedios denota la existencia de posibles heterogeneidades.

El método es susceptible de generar indicaciones falsas en ciertos materiales.

5.2. Ensayos con incidencia angular

Se aplican en los métodos de impulso - eco y en los de transparencia por reflexión, figura 26, empleándose preferentemente ondas transversales.

FIGURA 26 ENSAYO DE MEDIDA DE INTENSIDAD POR REFLEXIÓN (MÉTODO DE TRANSMISIÓN)

La incidencia angular presenta grandes ventajas tales como:

• Se aplica tanto a muestras de forma simple cómo compleja.


-CURSO DE FORMACIÓN DE ING

• Se puede elegir el ángulo de propagación idóneo a la morfología, orientación y posición de una heterogeneidad.

• Se pueden elegir la superficie de la muestra que sea más idónea para la obtención de una indicación propia de una heterogeneidad.

• Zonas de la muestra que resultan ocultas en un ensayo con incidencia normal, se exploran fácilmente con incidencia angular, llegándose a aquellas zonas ocultas mediante la elección adecuada del ángulo de penetración y/o por medio de reflexiones internas del haz en otras superficies de la muestra.

• En muestras con dos superficies paralelas relativamente próximas, se obtiene una trayectoria en zigzag, figura 27. Esta propagación según una trayectoria en zig zag puede llegar a alcanzar distancias largas siempre que la rugosidad de la superficie sea inferior a la longitud de onda. Cuando se emplea ésta técnica, se puede explorar la sección entera de la muestra con solo mover el palpador en la distancia “d”. De éste modo se pueden detectar heterogeneidades tanto superficiales como internas. Al igual que con la incidencia normal, se obtiene, en éste caso, una indicación de un eco de fondo en los bordes de la muestra, sí el haz incide en ángulo recto con una de las dos aristas, inferior o superior.

ENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -30-

FIGURA 27

INCIDENCIA ANGULAR, TRAYECTORIA EN ZIG-ZAG



6. INSPECCIÓN ULTRASÓNICA DE UNIONES SOLDADAS

6.1. Capacidad de inspección.

La aplicación del ensayo por ultrasonidos exige de la pieza o componente unas condiciones mínimas que pueden permitan llevar a cabo el ensayo.

Desde las primeras etapas de diseño hay que tomar en consideración los requisitos de la inspección para que ésta pueda desarrollarse en condiciones óptimas. Esto, que tiene una validez general, es especialmente crítico cuándo se trata de uniones soldadas. Entre los parámetros que influyen en la capacidad de inspección destacan:

• Forma geométrica.

• Acabado superficial.

• Estructura metalúrgica.

• Historial de la pieza.

• Marcas de referencia.

6.1.1. Formas geométricas

En la figura 28 se comparan soldaduras con diferente capacidad de inspección debido a su forma geométrica. La existencia de soportes o accesorios en las proximidades del cordón puede impedir la inspección de algunas zonas. En general, la mayor capacidad de inspección coincide con el mejor diseño desde el punto de vista mecánico.


-CURS

6.1.2

Infla susu cabrutoinspe

Baja capacidad de inspección Alta capacidad de inspección

O DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -32-

FIGURA 28 INFLUENCIA DEL DISEÑO SOBRE LA INSPECCIONABILIDAD DE ALGUNAS UNIONES SOLDADAS

. Acabado superficial

luye notablemente en el ensayo ya que genera un ruido de fondo que enmascara defectos cercanos a perficie. Como consecuencia de ello, muchas normas o recomendaciones citan como límite inferior de mpo de aplicación espesores de material base de 8 a 12 mm, límite válido si el cordón se presenta en , pero si se repasa hasta eliminar cualquier irregularidad tanto exterior como de raíz, entonces pueden ccionarse espesores de 1 mm o incluso menos. En cualquier caso, el exceso de cordón debe



eliminarse hasta dejarlo a haces con el material base si se quiere hacer un examen por ultrasonidos completo y efectivo, especialmente en componentes de responsabilidad.

La rugosidad superficial de las zonas sobre las que se va a mover el palpador debe estar limitada para garantizar una buena transmisión acústica.

En casos menos críticos es suficiente con asegurar la limpieza de la superficie que debe estar libre de óxidos no adheridos, suciedad, salpicaduras de electrodo y, en general, de cualquier cosa que impida o dificulte el libre movimiento del palpador o la adecuada transmisión del sonido.

En equipos que ya han prestado servicio es frecuente encontrar picaduras superficiales de corrosión (piel de naranja) que pueden perturbar gravemente los resultados del ensayo, no sólo por su efecto sobre la transmisión del sonido sino también porque pueden desviar considerablemente el haz ultrasónico. En la eliminación de tal rugosidad hay que cuidar de que no se produzcan ondulaciones en la superficie, cuyo efecto sería incluso más perturbador que el de la rugosidad.

6.1.3. Estructura metalúrgica

Para que el haz acústico pueda aportar información sobre el estado de la unión soldada tiene que transmitirse a su través, lo que exige del material base y del aporte un nivel de atenuación que no debe rebasar un nivel máximo para la frecuencia de ensayo.

Un acero austenítico laminado o forjado no presenta particulares problemas para el examen por ultrasonidos, pero cuando está bajo la forma de metal de aporte en una unión soldada, su comportamiento es muy distinto. La marcada anisotropía elástica de la austenita se manifiesta a escala macroscópica debido al crecimiento columnar de los granos y a la ausencia de puntos críticos. Esto provoca fenómenos de desviación del haz y fuerte dispersión, lo que obliga a aplicar técnicas muy particulares de ensayo a este tipo de soldaduras.

6.2. Detectabilidad

La detectabilidad de una heterogeneidad depende:

• Del tamaño de receptor su tamaño en relación con la frecuencia de ensayo.

• Del medio en que está contenido.

• Del acabado superficial.

Estos parámetros, junto con la frecuencia y tipo de onda , determinan la relación señal / ruido (S / R) que es lo que realmente define cuando un defecto es, o no, detectable. Se suele admitir como válida una S / R mínima de 12 dB ; es decir, el eco de la heterogeneidad debe ser, al menos, cuatro veces más alto que el ruido a la misma distancia. La detectabilidad se ve afectada también por la orientación y situación de la heterogeneidad, lo que está más en relación con la técnica operatoria.

6.3. Técnicas operatorias

Se describen únicamente las técnicas básicas de inspección manual.



6.3.1. Examen con palpadores de incidencia normal

La figura 29 presenta una serie de aplicaciones del ensayo con incidencia normal y ondas longitudinales.

FIGURA 29

UNIONES SOLDADAS. INCIDENCIA NORMAL MÉTODO DE PULSO ECO

Dos son las funciones principales de esta técnica:



1) Si el acabado superficial lo permite, ensayo directo sobre el aporte, tal como indica la posición 1 de la figura 63a. De esta forma son fácilmente detectables algunas discontinuidades que pueden resultar difíciles de ver en el ensayo con palpadores angulares de ondas transversales. Tal es el caso de líneas de escoria, escorias aisladas y ciertos poros. Este ensayo presenta la ventaja de que es más sencillo, tanto en su puesta a punto (calibración) como en la interpretación de resultados. Adicionalmente, se tiene la gran ventaja de que la distancia a que se van a detectar las posibles discontinuidades es la mínima, lo que, en general, se traduce en una mejor relación S / R.

2) La otra función se refiere a las uniones que van a ser inspeccionadas con palpadores angulares. En estos casos, se exige una exploración previa con palpador normal de toda la zona sobre la que se va a mover el palpador angular. Esta exploración cubre los siguientes objetivos:

a) Detectar posibles discontinuidades planas que pudieran impedir la penetración de las ondas transversales.

b) Medir el espesor real de la chapa.

c) Evaluar, al menos de forma comparativa, el nivel de atenuación del material y sus variaciones a lo largo de la unión soldada.

d) Evaluar el acabado superficial de la chapa.

6.3.2. Examen con palpadores de ondas transversales. Incidencia angular

Es la técnica más extensamente empleada en uniones soldadas debido a su versatilidad y a la facilidad de acceso a todas las zonas del cordón. La figura 29 representa algunas de las aplicaciones típicas. Moviendo el palpador entre las posiciones 1 y 2 de la figura 29b, el haz recorre todo el cordón a partir de la raíz.

• La posición de la figura 30a es adecuada para detectar discontinuidades orientadas en sentido longitudinal (paralelas al eje del cordón).

• Si se trata de discontinuidades transversales (principalmente grietas) hay que explorar desde la posición 1 (figura 30b) cuando el cordón está en bruto de soldadura, o desde la posición 2 si el cordón ha sido mecanizado lo que, naturalmente, facilita la detección de este tipo de defectos.

• En uniones soldadas con espesores altos, de 80 a 100mm, por la geometría de la superficie de exploración, hay que recurrir a la técnica en tándem, figura 30c en la que dos palpadores iguales se conectan uno como emisor y otro receptor. Los dos palpadores se montan sobre un útil para poderlos desplazar conjuntamente a lo largo del cordón sin perder la geometría. La profundidad de corte de los haces (zona sensible) depende de la distancia entre los palpadores, por lo que habrá que hacer varias pasadas variando esa distancia para garantizar la exploración de todo el cordón. Para esta técnica se emplean, casi exclusivamente, palpadores de 45º.

El ensayo con palpadores angulares de ondas longitudinales está limitado a problemas en los que no son aplicables las ondas transversales debido a problemas de atenuación. Este es el casi de las soldaduras con aporte austenítico, donde éstas últimas sufren fuerte dispersión. La mejor relación S / R que se obtiene con ondas longitudinales viene, en parte contrarrestado por el inconveniente de que hay que detectar el reflector directamente, sin ningún rebote de haz debido al mal comportamiento de las ondas longitudinales en su reflexión en la pared del fondo.


6.4. Exploració

Cualquiera qupara garantizar lrecorrido de un prepresenta la trmovimiento en zide detección.

-CURSO DE FORMA

FIGURA 30

ENSAYO CON PALPADORES DE INCIDENCIA ANGULAR

n

e sea la técnica utilizada, el palpador debe moverse asegurando el solape de trayectorias a cobertura de toda la superficie a inspeccionar. En la figura 31 (a) se esquematiza el alpador de incidencia normal con el cordón mecanizado y sin mecanizar. La figura 31 (b)

ayectoria de un palpador angular para detectar defectos longitudinales. Además del g-zag hay que dotarlo de una oscilación tal como la indicada para aumentar la probabilidad



Las distancias A, B entre las que hay que mover el palpador son las indicadas en la figura 31 (b). Es una buena práctica llevar el palpador, en la posición A, hasta tope con el cordón, si es que no está mecanizado. La distancia B no es recomend ble rebasarla salvo para pequeños espesores de chapa.

-CURSO DE FORMACIÓN DE INGEN

6.5. Interpretación

Consiste en identificar la situación, forma, orientación, mediante las técnicas adecuad

Para realizar tal identificacensayo, datos adicionales sob

• Esquema y planos a

• Datos completos de

a

IEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -37-

FIGURA 31 EXPLORACIÓN

indicación con la heterogeneidad que la produjo. Será preciso definir la tamaño, y naturaleza, a partir de dichas indicaciones: eco o ecos obtenidos as.

ión es preciso tener en consideración, además de los datos obtenidos del re la unión soldada, como son:

ctualizados de la preparación y zonas adyacentes.

l proceso de soldadura, así como de las reparaciones si las ha habido.


• Especificación o código aplicable en donde se indiquen claramente la naturaleza de los defectos que se pretende detectar.

• Naturaleza del metal base, del aporte y tipo de tratamiento térmico.

6.5.1. Situación

Se determina por relaciones geométricas sencillas a partir del recorrido del haz, que se mide sobre la pantalla una vez calibrada la base de tiempos, y de la distancia del palpador a una línea de referencia tomada sobre la pieza.

De entre los parámetros que definen a la heterogeneidad, es el más sencillo de determinar y se puede demostrar que es de la mayor utilidad para decidir sobre la naturaleza del reflector. En general la estimación de las coordenadas de la heterogeneidad se puede hacer con un error menor del 10%.

En la figura 32 se indica la forma de determinar la situación de un reflector con palpador angular.

-CURSO DE FORMACI

FIGURA 32 CALIBRACIÓN EN DISTANCIAS DE PROYECCIÓN ACORTADAS Y ESCALA DE PROFUNDIDAD

ÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -38-


6.5.2. Forma

En el estado actual de la técnica de exploración manual, es posible, en general, clasificar las heterogeneidades en dos tipos básicos: planos y no planos. Si se consigue establecer inequívocamente a cual de las dos categorías pertenece la heterogeneidad, se habrá resuelto gran parte del problema de la interpretación.

La técnica para estudiar la forma es la siguiente: Una vez obtenido el eco del reflector problema hay que mover el palpador a su alrededor y observar cómo varía el eco. Los tres movimientos básicos se esquematizan en la figura 33. Con el movimiento lateral se determina la extensión longitudinal del reflector. El movimiento orbital es el que define con mayor precisión el carácter plano o no plano del reflector.


FIGURA 33 DETERMINACIÓN DE LA FORMA ECODINÁMICA

Así, por ejemplo, una grieta dará un eco que tenderá a desaparecer rápidamente a poco que se desvíe el palpador de la orientación de eco máximo, pero un reflector de tipo cilíndrico o esférico (poros, escorias) tenderá a dar un eco más o menos constante incluso con grandes ángulos de giro del palpador. Es conveniente ayudarse de un útil para poder realizar este importante movimiento con la mayor eficacia posible. El movimiento transversal permite evaluar, al menos cualitativamente, la extensión vertical del reflector. La ejecución adecuada y fiable de estos movimientos exige bastante experiencia por parte del operador ya que, de sus resultados, se van a extraer conclusiones acerca del carácter del reflector que van a incidir decisivamente sobre la aceptación o rechazo de la pieza o componente.

6.5.3. Orientación

Se determina sobre la base de que sólo se obtendrá el eco más alto cuando el haz sea perpendicular al reflector. Es necesario, por tanto, ensayar con distintos ángulos y orientaciones del palpador hasta obtener la indicación máxima. Puede ocurrir, sin embargo, que al variar el ángulo del palpador varíe tanto la distancia a que se detecta el reflector que la posible ganancia por orientación se pierda por atenuación.

Si en una determinada unión soldada pueden aparecer faltas de fusión, hay que conocer el ángulo de la preparación para elegir el palpador cuyo eje se aproxime lo más posible a la perpendicular. El ángulo del palpador es tanto más crítico cuanto mayor sea el espesor de la chapa y más plano sea el reflector.


6.5.4. Tamaño

Es el problema de más complejo en el método de ensayo por ultrasonidos.

• Cuando la heterogeneidad es grande, mayor que la sección transversal del haz, la determinación del tamaño se hace explorando con el palpador los límites del defecto (exploración dinámica), y aplicando el criterio de eco máximo y eco mitad (-6dB) cuyo fundamento se indica en la figura 34.

FIGURA 34 DETERMINACIÓN DEL TAMAÑO DE REFLECTORES GRANDES

• Cuando la heterogeneidad es pequeña, la exploración dinámica no tiene sentido y el problema se complica notablemente.

Para estos defectos pequeños, la técnica convencional ofrece tres tipos de solución:

a) Comparación con reflectores conocidos, contenidos en piezas patrón o bloques de referencia.

b) Evaluación de la amplitud del eco por comparación con diagramas o escalas DAT (AVG).

c) Exploración de los límites del reflector con una línea definida en el haz y previamente determinada (-20dB).

• Las técnicas a) y b) se basan en la comparación de la reflectividad del defecto bajo condiciones controladas de amplificación, y sus resultados no están relacionados de manera sencilla con el tamaño real del defecto, al menos en la mayoría de los casos; es decir, no puede deducirse que un reflector sea doble que otro por el hecho de que sus ecos máximos difieran en 6dB.




• La técnica citada en c) está sometida a fuertes imprecisiones como resultado de las irregularidades del haz y de que, en general, no se dispone de haces suficientemente estrechos.

Entre los factores que afectan a la reflectividad, los más importantes son la orientación, situación y naturaleza del reflector, parámetros que están fuera de control para el operador. Cambiantes, además, de unos casos a otros. El problema es, como se ve, bastante complejo, y cualquier método de comparación de reflectividades, bien sea con defectos patrón o con diagramas DAT, implica una necesaria simplificación que viene a facilitar el trabajo de clasificación de los defectos para, sobre esa base, proceder después a elaborar los criterios de evaluación.

Los reflectores de referencia pueden ser defectos reales conocidos, lo que sólo es accesible en muy contados casos, o bien defectos artificiales, tal como taladros o entallas. En general se recomienda el uso de taladros laterales porque:

a) Son fáciles de reproducir con la precisión suficiente.

b) No presentan irregularidades direccionales de su reflectividad.

En particular, debe evitarse el taladro de fondo plano como reflector de referencia debido a las dificultades de su mecanización, lo que va en detrimento de la trazabilidad de los resultados. La pieza en que se van a mecanizar los reflectores patrón debe ser ultrasónicamente equivalente a la pieza a inspeccionar en el sentido de que:

a) Debe tener igual composición química y estado de tratamiento.

b) Debe presentar un acabado superficial equivalente.

c) Debe ser geométricamente equivalente.

Una vez que se tiene el reflector patrón se construye la curva distancia-amplitud como la que indica la figura 35. Con esta curva, cuya zona útil es la comprendida entre el 10 y 90% de altura de la pantalla, se comparan los ecos de las heterogeneidades detectadas en la exploración y se aplica el criterio de evaluación que haya sido establecido antes de la inspección.

Los diagramas DAT (Distancia, Amplificación, Tamaño) permiten expresar el tamaño del defecto como equivalente al de un disco plano, perpendicular al haz y de diámetro variable.

El uso de diagramas DAT es una forma muy eficaz de establecer un nivel de referencia universal, independiente de la posición del reflector y que sólo necesita el apoyo de un bloque de calibración (IIW) de uso muy extendido. Por otra parte, es posible sustituir los diagramas por las correspondientes escalas DAT que se fijan sobre la pantalla del equipo y facilitan mucho la evaluación de la reflectividad aunque, naturalmente, su empleo es más restringido ya que sólo son aplicables al equipo y palpador para el que han sido diseñadas, mientras que el diagrama DAT generalizado es de validez universal.


-CURSO DE FORMACI

7.- NORMATIVA

Entre las diversalas siguientes:

• UNE-EN 1soldadas. N

• UNE-EN 1soldadas. N

• UNE-EN 17las indicaci

• UNE-EN 1de las indic

• UNE-EN 1soldadas.”

• UNE-EN 1soldadas.”

ÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA- Tema 4.7.5 -42-

FIGURA 35

CURVA DE CORRECCIÓN DISTANCIA – AMPLITUD

APLICABLE

s normas que regulan los distintos aspectos del ensayo de ultrasonidos, se encuentran

712:1997 “Examen no destructivo de soldaduras. Examen ultrasónico de uniones iveles de aceptación.”

712/1M:2002 “Ensayo no destructivo de soldaduras. Ensayo ultrasónico de uniones iveles de aceptación.”

13:1998 “Examen no destructivo de soldaduras. Examen ultrasónico. Caracterización de ones de las soldaduras.”

713/1M:2002 “Ensayo no destructivo de soldaduras. Ensayo ultrasónico. Caracterización aciones de las soldaduras.”

714:1998 “Examen no destructivo de soldaduras. Examen ultrasónico de uniones

714/1M:2002 “Ensayo no destructivo de soldaduras. Ensayo ultrasónico de uniones

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