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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUE Facultad de Ingeniería Laboratorio de Ensayos No destructivos

ULTRASONIDO Ing. Ricardo Echevarria

AÑO 2002

Indices

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INDICE INDICE .................................................................................................................................................2 ENSAYO DE ULTRASONIDO ............................................................................................................4 1.- PRINCIPIOS ACÚSTICOS.........................................................................................................4 1.1 OSCILACIÓN .........................................................................................................................4 1.2 ONDAS: ..................................................................................................................................6 1.3 TIPOS DE ONDAS:................................................................................................................8 1.31 Onda longitudinal..............................................................................................................8 1.32. Onda transversal: ............................................................................................................9 1.4. SONIDO.................................................................................................................................9 1.41- Propagación del sonido:................................................................................................10 1.42 .El comportamiento de ondas sónicas en superficies limites........................................12 1.43. Dispersión, difracción , interferencia: ............................................................................15 1.44. Disminución de la presión sónica..................................................................................17 2. PRINCIPIOS BASICOS DE LOS INSTRUMENTOS. ...............................................................20 2.1. GENERACIÓN DE ULTRASONIDO...................................................................................20 2.11. Procedimientos mecánicos...........................................................................................20 2.12. Efecto magnetoestrictivo ...............................................................................................20 2.13. Efecto piezoeléctrico .....................................................................................................20 2.2. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ULTRASONICO............................................................23 2.21. Procedimiento de transmisión.......................................................................................23 2.22. Procedimiento de pulso-eco..........................................................................................25 2.23. Otros procedimientos de ensayo ..................................................................................27 2.3. PALPADORES....................................................................................................................28 2.31 Propiedades....................................................................................................................28 2.32. Campo sónico................................................................................................................29 2.33. Descripción de palpadores ultrasónicos .......................................................................31 2.4. EQUIPOS DE ENSAYO ULTRASONICO ..........................................................................43 2.41. Instrumental básico .......................................................................................................43 2.5. SISTEMAS DE REPRESENTACION .................................................................................49 2.51 Representación "Tipo A" (o pantalla Tipo A) .................................................................49 2.52 Representación "Tipo B" ................................................................................................49 2.53 Representación "Tipo C" ................................................................................................50 2.6. BLOQUES PATRONES DE CALIBRACION Y DE REFERENCIA ....................................51 2.61 Bloques de calibración ...................................................................................................51 2.62 Bloques normalizados de referencia..............................................................................51 3.- PRINCIPIOS BASICOS DE APLICACIÓN ..............................................................................54 3.1. ACOPLAMIENTO................................................................................................................54 3.2. SUPERFICIE DE LA PIEZA DE ENSAYO .........................................................................54 3.21. Rugosidad......................................................................................................................54 3.22. Curvatura .......................................................................................................................55 3.23. Recubrimiento................................................................................................................57 3.3. SELECCION DE LOS PALPADORES ...............................................................................57 3.31. Procedimiento de ensayo ..............................................................................................57 3.32. Selección de la dirección del haz ultrasónico...............................................................57 3.33. Selección de la frecuencia de ensayo ..........................................................................58 3.34. Selección del tamaño del transductor...........................................................................59 3.4. AJUSTE DEL EQUIPO .......................................................................................................61 3.5. TECNICA DE INMERSION.................................................................................................61 Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

Indices

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Calculo de compensación en ultrasonido por inmersión...........................................................66 3.6. INTERPRETACION DE LA PRESENTACION EN LA PANTALLA DE TRC.....................68 3.61. Indicaciones de defectos ...............................................................................................69 3.62. Indicaciones de defectos aparentes .............................................................................72 3.7 DETERMINACION DE LA FORMA Y TAMAÑO DE DISCONTINUIDADES......................77 3.71. Discontinuidades grandes.............................................................................................78 3.72. Discontinuidades pequeñas ..........................................................................................79 Diagramas AVG..........................................................................................................................79 Método DAC ...............................................................................................................................82 Descripción de reflectividades:...............................................................................................82 3.9. PROCEDIMIENTOS GENERALES DEL ENSAYO ULTRASONICO ................................87 Bibliografía: ....................................................................................................................................89

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1 – Principios acústicos

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ENSAYO DE ULTRASONIDO 1.- PRINCIPIOS ACÚSTICOS Para obtener una mejor comprensión de los fenómenos que ocurren en el ensayo no destructivo de ultrasonido, es necesario recordar algunos pocos conceptos físicos básicos.

1.1 OSCILACIÓN Como punto de partida consideremos el término oscilación y todas sus características relacionadas. Un ejemplo bien conocido de oscilación son los péndulos o las cuerdas de un instrumento musical, cuya característica común de oscilación en ellos es el cambio regular de su valor de estado ( por ejemplo posición de una partícula de la masa) o el periódico alcance de una condición instantánea (en un péndulo, por ejemplo, el punto de inversión derecho o izquierdo). Un péndulo puede moverse veloz o lentamente, fuerte o débilmente; dos péndulos idénticos pueden oscilar en el mismo sentido o no con otro. Los siguientes términos están relacionados con las vibraciones y serán abreviadamente definidos como sigue: OSCILACIÓN (CICLOS): cambio periódico de la condición o el comportamiento de un cuerpo. PERÍODO: tiempo necesario para llevar a cabo una oscilación, por ejemplo el tiempo en que un cuerpo se mueve un ciclo completo relacionado al momento de estados idénticos. Este se designa "t" y es usualmente expresado en segundos (seg.), ver figura 1.

Fig. 1 : Oscilación de un péndulo ( derecha) y su representación gráfica vs. el tiempo FRECUENCIA: Es la inversa del período o el número de oscilaciones (ciclos) por unidad de tiempo. La frecuencia se la designa con "f" dando la relación:

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f =

1 t

(1)

La unidad es el "Hertz" (Hz). 1 Hertz (Hz) = 1 ciclo por segundo. 1 Kilohertz (KHz) = 103 Hz = 1000 ciclos por segundo. 1 Megahertz (MHz) = 106 Hz = 1 millón de ciclos por segundo. 1 Gigahertz (GHz) = 109 Hz = 109 ciclos por segundo.

Fig.2: Ejemplo de oscilaciones con diferentes tiempos y frecuencias. AMPLITUD: Es la máxima desviación del cuerpo oscilante desde la posición de equilibrio (posición cero), ver figura 3 . Si la amplitud (designada por "A") es constante en el tiempo, la oscilación es desamortiguada; si esta decrece con el tiempo, se la llama oscilación amortiguada, ver Fig. 5.

Fig. 3: Definición de la amplitud “A” de una oscilación FASE: Es la condición instantánea en una oscilación: el concepto se aplica principalmente cuando se comparan 2 oscilaciones, de modo que es también llamado diferencias o desplazamiento de fases, ver Fig. 4. La diferencia de fase, designada por "ÄÖ", es comúnmente dimens ionada en grados de ángulo, donde el período “t” corresponde a un ángulo de 360º (círculo) ,

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Fig. 4: Ejemplo de oscilación con diferencia de fases "ÄÖ" AMORTIGUACIÓN o ATENUACIÓN: Decremento en el tiempo de la amplitud de una oscilación. Las diferentes razones por lo que sucede esto, se verán más adelante. Ver Fig. 5 .

Fig. 5: Oscilaciones amortiguadas y desamortiguadas

1.2 ONDAS: Hasta aquí se ha considerado el comportamiento de un cuerpo simple ( por ejemplo el péndulo). La misma consideración se puede aplicar ahora aplicada a partículas elementales (átomos y moléculas) de un cuerpo. Aquí deben ser discutidas algunas características de gran importancia para el ensayo ultrasónico debido al gran número y a las fuerzas actuantes entre ellos (átomos y moléculas). Si varios cuerpos son acoplados entre sí rígidamente y a uno de ellos se lo hace oscilar, todos los otros oscilarán en la misma fase, frecuencia y amplitud; mientras sea desamortiguado, esto puede ser considerado como una entidad, ver Fig. 6.

Fig. 6: Modelo de acoplamiento rígido.

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No obstante, si estos cuerpos no estuvieran unidos uno con otro, los demás permanecerían en reposo si uno de ellos oscilase (Fig. 7) .

Fig. 7: Modelo sin uniones Cuando hay una unión elástica entre estos cuerpos (por ejemplo varios péndulos unidos por elásticos (o resortes) Fig. 8), la oscilación de uno de los cuerpos será gradualmente transmitida al adyacente y así siguiendo. De esta forma se produce una onda. Ver Fig. 9 .

Fig. 8: Modelo con acoplamiento elástico.

Fig. 9: Modelo de una onda (longitudinal) y su propagación. ë :longitud de onda Las definiciones relacionadas a la ocurrencia y la propagación de ondas son las siguientes: Onda: es la propagación de una oscilación y sucede cuando una partícula oscila transmitiendo su vibración a la adyacente. Las partículas adyacentes tienen una diferencia de fase constante.

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El gráfico de una onda es similar al de una oscilación, pero versus una distancia en lugar del tiempo. Acoplamiento : Unión entre dos partículas adyacentes o medio, y es el factor necesario para la ocurrencia y propagación de ondas. Un acoplamiento total (rígido) o el no acoplamiento total nunca ocurre en la naturaleza, esto varía dentro de límites amplios. El acoplamiento es producido por fuerzas atómicas o moleculares elásticas de enlace, por fricción, por gravitación, etc. Velocidad de propagación (velocidad sónica): es la velocidad de propagación de una onda, relacionada a iguales fases, por lo que de allí también es llamada velocidad de fase. Es designada por "c" (en alguna bibliografía también como "v") y se expresa en cm/s , m/s ó Km/s . La velocidad sónica es una propiedad del material. Longitud de onda: es la distancia entre dos puntos adyacentes de condición de oscilación equivalente o igual fase, mirando en la dirección de propagación. La longitud de onda es una magnitud muy importante, designada por " ë ", y cuya relación de aplicabilidad es la siguiente: .ë=c*t=

c f

;f=

c λ

;

c = λ ∗ f (2)

1.3 TIPOS DE ONDAS: La propagación de ondas puede ocurrir en dos direcciones: a) en la dirección de oscilación de las partículas b) en la dirección perpendicular de oscilación de las mismas. Existen los siguientes tipos de ondas:

1.31 Onda longitudinal Aquí, la dirección de oscilación de las partículas coincide con la dirección de propagación de la onda como muestra la Fig. 9. Como ejemplo, se puede mencionar una onda normal ( variación de compresión) en aire. Por esto es también llamada onda de compresión, ver Fig. 10.

Fig. 10:Ondas longitudinales y transversales Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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1.32. Onda transversal: La dirección de oscilación de la partícula es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Un ejemplo obvio, aún cuando no sea correcto en el sentido físico, es el encontrado en ondas en agua (oscilación vertical, propagación horizontal) En la Fig. 10, estos dos tipos de ondas son comparadas con sus explicaciones pertinentes. Los pequeños puntos representan las partículas elementales del medio. Por añadidura, pueden ser posible combinaciones de estos dos tipos de ondas lo que será discutido más adelante .

1.4. SONIDO Consideraremos el capítulo de sonido fuera del amplio campo de las oscilaciones y procesos de ondas y explicaremos esto algo más detallado debido a que es de importancia en el método de ensayo. El sonido, como se conoce diariamente, se propaga en forma de ondas. En oposición a las ondas magnéticas, calóricas y lumínicas está asociado con la presencia de materia. En el rango de sonido audible uno puede distinguir: Tonos: esto es determinado por la frecuencia. Volumen: depende de la amplitud de oscilación . Timbre: es determinado por la ocurrencia de varias frecuencias simultáneamente, por las varias amplitudes de una oscilación individual , y por la duración de las diferentes componentes del sonido. Respecto a la frecuencia (tonos), más allá de las divisiones que puedan ser hechas, se sabe que no todas ellas son audibles para el oído humano. Solamente lo es un cierto rango, con un límite superior e inferior, el cual puede diferir entre individuos y que puede variar con la edad. El límite inferior de audibilidad se halla alrededor de 16 Hz, y el superior alrededor de 20 KHz. De acuerdo con convenios internacionales , el rango es ahora subdividido como sigue: Subsónico: f < 16 Hz; esto es el rango de vibración debajo del límite de audibilidad. No se escuchará ningún tono , solo se notará presión. Sonido audible: 16 f 20 Hz, rango de frecuencias de sonido que son audibles por el oído humano. Ultrasonido: f > 20 KHz, estas frecuencias están por encima del límite de escucha humana. Las frecuencias usuales para los ensayos no destructivos son en el rango de 0.5 a 25 MHz. Ver Fig.11.

Fig. 11: Espectro acústico Se puede hacer una subdivisión de acuerdo a la duración del sonido en : Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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Sonido continuo: la duración del sonido es mucho mas larga que el tiempo de oscilación , Sonido pulsado: aquí la duración del sonido es solamente unas pocas veces el tiempo de oscilación. El intervalo entre dos pulsos es mucho mas largo que la duración del pulso, ver Fig. 12.

Fig. 12: Sonido continuo y por pulsos graficado vs. tiempo ,

1.41- Propagación del sonido: Como ya se mencionó, la propagación de las ondas sonoras esta vinculado a la materia. Por ejemplo si una onda sonora se está propagando, debe existir un material sólido, líquido o gaseoso, por lo que se deduce que la onda sonora no es más que la propagación de las vibraciones de las partículas del material elástico. Ya que líquidos y gases no ofrecen ninguna resistencia a los esfuerzos cortantes, las ondas transversales (ondas de corte) no pueden ser propagadas en estos medios. En líquidos y gases solamente pueden ser propagadas ondas longitudinales. Por esta razón, el ejemplo dado en 1.32 no es aplicable a esto. En materiales sólidos, se pueden propagar las ondas longitudinales y transversales como así también todas sus combinaciones.

Las ondas longitudinales o transversales puras, sólo se formarán si el espesor del material con respecto a la dirección de propagación de la onda, es considerablemente mayor que la longitud de onda . De otro modo, se formaran en las chapas o láminas, un tipo de ondas combinadas de los dos anteriores, que son llamadas ondas de chapa o Lamb. Estas ondas se pueden subdividir en ondas de dilatación y flexión adicionales, ver Fig. 13.

Fig. 13: Tipos de ondas de Lamb. Arriba: onda de dilatación. Abajo onda de flexión . Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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Una nueva combinación de ondas longitudinales y transversales son las ondas superficiales, ver Fig.14, las cuales pueden existir solamente a lo largo de la superficie, siendo capaces de seguir una superficie curvada. Como se puede ver en la figura 14, la profundidad de penetración de una onda superficial es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda.

Fig. 14: Onda superficial. Para completar, también serán mencionadas las ondas de torsión, las cuales se pueden dar en cuerpos con forma de barras. Estas, son oscilaciones rotacionales alrededor del eje longitudinal de la barra, la dirección de propagación se sitúa en la dirección del eje longitudinal.

La velocidad de propagación (velocidad de sonido) de ondas longitudinales, transversales o de superficie, son constantes del material, independientes de la frecuencia y dimensiones del material.

Existe la siguiente correlación: Cl=

Cl=

E 1- µ ∗ ( 3) (1 + µ )(1 − 2 µ ) ρ

E 1 ∗ ( 4) ρ 2(1 + µ)

Cs = 0.9 t Donde Cl = velocidad de la onda longitudinal. Ct = velocidad de la onda transversal. Cs = velocidad de la onda superficial. E = Módulo de elasticidad de Young ρ = densidad. µ = constante de Poisson.

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La velocidad de propagación de las ondas Lamb (tipos de flexión y dilatación) y las ondas de torsión dependen no solamente de las constantes del material dadas arriba, sino también de las dimensiones del mismo, del tipo de onda y de su frecuencia. La dependencia de la frecuencia de la velocidad de onda del sonido, es también llamada " dispersión" Las ondas sónicas que se esparcen uniformemente en todas direcciones son llamadas ondas esféricas, aquellas que se esparcen sólo en una dirección, ondas planas.

1.42 .El comportamiento de ondas sónicas en superficies limites 1.421. Dirección del sonido en superficies limites perpendiculares . Si una onda sónica incide normalmente en la interfase de dos materiales, una parte de la energía sónica es transmitida al otro material, mientras que otra parte será reflejada, como se muestra en la figura 15 .

Fig. 15: Incidencia del sonido normal a la interfase entre dos medios. Las proporciones de energía transmitida y reflejada dependen de la impedancia de los dos materiales . La impedancia acústica se puede calcular como:

Z= ρ *c

(6)

Donde Z = impedancia acústica ρ = densidad del material del medio considerado C = velocidad del sonido del medio considerado

Si una onda sónica viaja a través de un material con impedancia acústica Z1, e incide perpendicularmente en una interfase correspondiente a otro material con impedancia acústica Z2, se pueden definir las siguientes magnitudes:

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Factor de reflexión

:

Factor de transmisión :

R´ =

T'

=

Z 2 − Z1 Z2 − Z1 2 Z2 Z 2+ Z 1

(7)

(8)

El factor de reflexión da la proporción (%) de presión acústica reflejada y el factor de transmisión da la proporción de presión acústica transmitida en el segundo material . "R'" puede ser positivo o negativo, "T'" puede ser mayor o menor que 1, dependiendo cuál de los dos, Z1 ó Z2 es mayor. Esto no esta en contraposición con el principio de energía, sino que aquí se considera la presión acústica y no la energía (o intensidad) acústica. Un material con alta impedancia acústica es llamado "acústicamente duro" y uno de baja impedancia, "acústicamente blando". Si la impedancia acústica de los dos medios son iguales (Z1= Z2), no hay reflexión ( R'= 0 ), el sonido pasa a través de la 1interfase si alterarse (T'= 1). Será mencionado nuevamente que los valores de R' y T' están relacionados con la presión y no con la intensidad acústica. Esta forma de representación ha sido elegida deliberadamente, puesto que la amplitud del eco que aparece indicado en un equipo de ultrasonido es proporcional al valor de la presión acústica . De las expresiones (7) y (8) se deduce, en primer lugar, que la presión acústica reflejada será de la misma amplitud, cualquiera sea el lado de la superficie límite sobre el cual incide la onda, es decir, independiente de la secuencia de ambos materiales; si bien en el caso de ser Z2> Z1, R' será positivo lo que indica que la onda incidente y la reflejada están en la misma fase y, en caso contrario, (Z2 < Z1), R' será negativo, lo que indica una inversión de fase de la onda reflejada con relación a la incidente . En cambio, la presión acústica transmitida, si bien en fase con la onda incidente, no será independiente de la secuencia de los dos materiales, de manera que se Z2> Z1 , T' >1, lo que indica que su amplitud será mayor que la de la onda incidente y en caso contrario ( Z2< Z1 , T1' l0

(29)

Donde: D: diámetro del cristal. l0: longitud del campo cercano. ϕ 10: ángulo de divergencia (ver XV y XVI). Cuando no se requiere la determinación del tamaño del defecto equivalente, la examinación puede llevarse a cabo tanto en el campo cercano como en el campo lejano. La máxima sensibilidad posible se encuentra en la vecindad de la longitud del campo cercano; a profundidades mas pequeñas que esta longitud, la localización de un defecto en la dirección lateral está agravada debido al hecho de que allí puede haber presión acústica (esto es sensibilidad) mínima en el eje del haz , y alta sensibilidad en la zona marginal del haz , causado por las interferencias en el área del campo cercano. El diámetro del haz ultrasónico en el campo cercano es aproximadamente igual al diámetro del cristal: φ =D

para l ≤ l

0

(30)

Por lo arriba mencionado, es suficiente colocar el diámetro verdadero en lugar del efectivo, el cual es un porcentaje más pequeño que el real y debe ser provisto por el fabricante. En la Fig. 67 se dan algunos ejemplos de las geometrías de haces ultrasónicos.

Fig. 67: Diferentes formas de haces de palpadores de 4 MHz en acero (esquema) Es obvio que los resultados óptimos se encontrarán a la profundidad de "l1" para el cristal de 6 mm; de “lz” para el de 24 mm y a "l3" para el de 40 mm. Generalmente se puede decir que para piezas pequeñas se tomarán diámetros pequeños y para piezas grandes diámetros mayores.

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3-Principios básicos de aplicación

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3.4. AJUSTE DEL EQUIPO Aquí solamente se darán instrucciones generales para el ajuste del instrumental; los detalles deberán ser estudiados de los manuales provistos junto con el equipamiento. El procedimiento de ajuste consiste en dos partes: 1) ajuste del rango de profundidad y 2) ajuste de la sensibilidad. La puesta a punto del rango de profundidad deberá ser hecho antes que el de la ganancia. El ajuste de la longitud de medida de la profundidad (rango) en sí mismo consiste en dos etapas: 1.1) desarrollar el rango de profundidad de interés en la máxima distancia plana de la pantalla del TRC, para facilitar la lectura de profundidad , y 1.2) ajustar el cero para compensar las influencias de capas protectoras, líneas de retardo, etc. . Para mayor información, referirse a las normas por ejemplo DIN 54 120 y 54 122 ( bloques 1 y 2 de referencias) o IRAM-CNEA Y 500-1 002 . El ajuste de la ganancia de la sensibilidad es el segundo paso en la puesta a punto del equipo. Si no hay instrucciones de especificaciones particulares, será un buen método colocar el eco de fondo de 6 a 12 dB por encima de la altura total de la pantalla (ATP). Aún cuando sean detectados pequeños defectos, la ganancia será incrementada hasta que se observen las indicaciones de la estructura. Este "ruido de la estructura o césped" usualmente no es buscado y puede ser eliminado por medio del regulador de supresión. Cuando se requiere una evaluación de defectos por medio de la altura de los ecos, el supresor debe volverse a cero para evitar observar en forma no lineal las indicaciones. En otros casos, por ejemplo en inspecciones con palpadores angulares, o cuando el eco de fondo no puede ser observado, puede ser útil tener una probeta con defectos artificiales (por ejemplo un orificio calibrado de 2 mm de diámetro). Para obtener pulsos lo más angostos posible (alta resolución) se recomienda llevar a cabo el ensayo con la mínima potencia del transmisor; solamente después de haber alcanzado el punto de máxima sensibilidad, o la inspección ha sido llevada a cabo en lugares con altos ruidos eléctricos (arranques automáticos, soldadoras, etc.), se puede incrementar la salida del transmisor, en casos de ganancia reducida.

3.5. TECNICA DE INMERSION Para la inspección ultrasónica por el método de inmersión la pieza es totalmente sumergida en un líquido (comúnmente agua) y el haz es usualmente proyectado desde una cierta distancia. (Fig. 68).

a: Esquema de ubicación principal . Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

3-Principios básicos de aplicación

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b

c Fig. 68

1:Eco de emisión. 2:Primer eco de la superficie superior. 3:Eco del defecto. 4:Eco de fondo (pared posterior) 5 a 8: segundo a quinto eco de la superficie superior. a): Recorrido en el fluido demasiado corto; aparecen ecos múltiples (5) de la superficie dentro del rango de ensayo (de 2 a 4). c): Correcto dimensionamiento de la línea de retardo. El límite líquido-componente producirá, por este método, un eco de superficie el cual, con un correcto ajuste del rango de profundidad, marcará el cero en la pantalla del TRC en lugar del eco de emisión (en muchos casos no interesa la supervisión de camino en el fluido, así que, contrariamente a lo que muestra la Fig. 68 (c) la distancia entre los ecos Nº 2 al Nº 4 será la que se desarrollará a lo largo del total de la pantalla). La ventaja de este método es el constante y uniforme acoplamiento. Además, el eco de la superficie (entrada a la pieza de ensayo) es más angosto que el eco de emisión, permitiendo así una mejor resolución a pequeñas profundidades en la pieza. Como en este caso, a diferencia de la técnica de contacto directo, no hay reflexión total ( el medio líquido es considerablemente mejor conductor ultrasónico que el aire), y como una parte del sonido es reflejada y se propaga en el medio líquido, debe prestarse atención a las indicaciones provenientes de la zona del líquido pues pueden interpretarse como defectos inexistentes. Si en la técnica de inmersión se usan reflexiones en zig-zag, el rango de la onda ultrasónica será más corto que en la técnica de contacto directo (Fig. 69 a) debido a la conversión de onda y radiación de energía (ley de refracción) en cada paso (Fig. 69 b). Por ejemplo, cuando en un ensayo de un tubo (Fig. 46), este se sumerge en un líquido, el eco de referencia de la circunferencia obviamente disminuirá o desaparecerá.

Fig. 69: a) técnica de contacto; b) técnica de inmersión Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

3-Principios básicos de aplicación

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Tampoco puede ser eliminada por la técnica de inmersión la influencia de la dispersión provocada por la rugosidad de la superficie , como falsamente se asume en muchos casos. Así, la técnica de inmersión tiene como principal ventaja un acoplamiento constante con la superficie de la pieza de trabajo. Otra ventaja es que dado que el palpador no está en contacto directo con la pieza, se pueden usar cristales más finos de alta frecuencia. Se debe prestar atención a que la longitud del trayecto sónico en el fluido sea lo suficientemente grande para evitar que los ecos múltiples no caigan dentro del rango de ensayo. En principio, las mismas reglas dadas para el retardo en los bloques (ver sección 3.22, formula 28 ) son válidas aquí y muy importantes; así como se colocaba la longitud y la velocidad sónica en el bloque de retardo se debe colocar ahora los valores del trayecto previo en el fluido. Es frecuente el uso de palpadores focalizados en esta técnica, los que ofrecen una alta sensibilidad de ensayo concentrada sobre un lugar relativamente pequeño. El modo de actuar de los focalizadores ("lentes", Fig. 70 a y b) se deduce también de las leyes de refracción (ver sección 3.22 y fórmula 9).

Fig. 70 Izq.: palpador con focalización (lente) en agua. Der.: Acortamiento de la longitud focal cuando el foco cae dentro de la pieza. La elección para el uso de una lente cóncava o convexa, depende de las velocidades del sonido en el material de las mismas y en el fluido. La longitud focal de tales lentes ultrasónicas se puede calcular así:

f =

r 1 −

C C

(31) 2 1

Donde: f : longitud focal. r : radio de curvatura de la lente. c 1: velocidad del sonido en la lente. c 2: velocidad del sonido en el líquido.

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Las velocidades del sonido c1y c2 deberán tener la mayor diferencia posible para obtener un alto índice de refracción, y sus impedancias acústicas lo más semejantes posibles para conseguir las mínimas pérdidas por reflexión. Buenos resultados que concilian estos dos términos las ofrece el plexiglás. Si lo que se busca es focalizar en un punto, la curvatura de la lente deberá ser esférica Fig. 71 a); si la focalización se busca en una línea , la lente será cilíndrica Fig. 71 b).

a b Fig. 71 Lentes acústicas. a) Focalizado en un punto; b) focalizado en una línea Se debe considerar también que si la focalización se realiza dentro de la pieza y no en su superficie, habrá una refracción adicional en la superficie límite líquido / pieza. Este hecho causa un acortamiento (en el plano de la superficie) de la longitud focal, el cual es aproximadamente proporcional a la relación de velocidades (Fig. 70 b ). Ejemplo: Supongamos que queremos determinar cuál será el camino más adecuado en el agua (distancia palpador-pieza) si se usa un palpador focalizado con una longitud focal en agua de 100 mm y el foco se desea colocar a 5 mm por debajo de la superficie de la pieza ( de acero).Para el cálculo se deberá:

Sagua = S f − Sm .(Cm / Cagua) Donde : Sagua: paso en el agua (distancia entre el palpador y la pieza de ensayo). Sf : distancia focal en agua. Sm : distancia en el material de ensayo C m y Cagua : velocidad del sonido en el material de ensayo y en agua respectivamente. 1.- Hallar la relación entre la velocidad en el acero y la velocidad sónica en el agua.

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3-Principios básicos de aplicación 6.0 ∗ 10

5

cm / s

1,5 ∗ 10 cm / s 5

=4

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Significa que una unidad de medida en acero será igual a cuatro en agua.

2.- Hallar la equivalencia entre el camino deseado en acero y en agua. 4*5 mm (en acero) = 20 mm (en agua) 3.- Restar a la distancia focal de la lente: 100 - 20 = 80 mm Por lo tanto la distancia a la cual se deberá colocar la lente para que el haz se focalice dentro de la pieza a una profundidad de 5 mm será de 80 mm (recorrido en agua). Resumiendo, podemos decir que la utilización de lentes acústicas ofrecen : •

Incremento en la sensibilidad para defectos pequeños.

•

Mejoramiento de la resolución cerca de la superficie

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3-Principios básicos de aplicación

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•

Corrección del contorno de las superficies

•

Mejoramiento de la relación señal / ruido

Calculo de compensación en ultrasonido por inmersión Cuando se realiza un ensayo de ondas de corte circunferencial en tuberías de aleaciones de acero, muchas especificaciones requieren obtener una onda refractada de 45 grados dentro de el espesor de la tubería. La compensación del transductor requerida para producir esto debe ser calculada usando la Ley de Snell. Para determinar el ángulo incidente correcto que producirá una onda de corte refractada de 45 grados será:

v  sen è H 2O = sen èSS  H 2O   v SS 

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3-Principios básicos de aplicación

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y la ecuación de compensación para determinar el corrimiento del transductor respecto de la línea central de la tubería para producir el ángulo de incidencia calculado es:

x = R ⋅ sen è x = compensación R=

OD 2

Sin embargo con una derivación de las ecuaciones se obtiene una regla simple aproximada de la compensación deseada =

OD 6

, que puede ser calculada mentalmente mientras se está frente al

sistema a ensayar.

  v  X = R sen θ SS  H2O      vSS      1.48km/s   X = R sen45º    3.1km/s    X = R(0.338 ) X =

OD (0 .338 ) 2

Como 0.338 es aproximadamente 1/3, la ecuación puede ser reescrita

X =

OD 1 2 3

X =

OD 6

Esta regla aproximada para calcular la compensación del transductor para materiales de velocidades similares.

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Por ejemplo para encontrar la compensación que producirá una onda de corte de 45 grados circunferencial aproximada en una tubería de acero inoxidable de 6.4 mm de diámetro, calculando 6.4/6=1.05 mm de compensación. La siguiente Fig. muestra el problema planteado

3.6. INTERPRETACION DE LA PRESENTACION EN LA PANTALLA DE TRC Como ya fue mencionado anteriormente, el haz electrónico, dentro del tubo de rayos catódicos, es deflectado en la dirección horizontal en una proporción lineal con el tiempo ( generador de la base de tiempo); además de esto, es también deflectado en la dirección vertical cuando aparece un voltaje eléctrico adicional en el transductor (señal ultrasónica de emisión o recepción). Principalmente lo que se mide es el tiempo de recorrido de la onda ultrasónica en la pieza. De acuerdo con la relación: (velocidad) c = (distancia) a (tiempo) t el espesor de la pieza o la distancia a un defecto puede ser calculada cuando se conoce la velocidad del sonido como :

a=t∗c

(32) De allí que la pantalla del TRC puede ser calibrada directamente en longitud cuando la velocidad del sonido es conocida. Después de un ajuste correcto, se leerá directamente en las divisiones de la pantalla la longitud al reflector en mm. Como referencia para esta lectura se toma el punto (en abscisas) sobre el cual el eco comienza a crecer (Fig. 72).

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Fig.72:El punto en donde el eco se levanta (punto izquierdo en la base del mismo), es la referencia para su localización. Los cuatro ecos visibles (excepto el eco de emisión) están localizados en las divisiones: 1,5 ; 4,5 ; 6,0 y 9,0.

3.61. Indicaciones de defectos Los defectos son indicados de diferentes maneras , de acuerdo a sus formas, tamaños y ubicaciones dentro de la pieza. 3.611. Indicaciones directas El más comúnmente usado y confiable es el método de indicación directa del defecto el que debería ser aplicado, siempre que sea posible, ya que dará los resultados más satisfactorios de evaluación y reconocimiento. En este método aparece sobre la pantalla del TRC, un pulso o eco adicional. 3.6111. Eco de localización del defecto La localización de un defecto , esto es su profundidad, puede ser leída desde la pantalla de TRC siempre que antes se haya realizado un correcta calibración del rango de medida. Para ello, se puede ajustar en el equipo una longitud de medición aproximada y redonda de número entero, y leer el lugar del defecto, sin mayores cálculos, como fracción fácilmente distinguible de la longitud de medición total ajustada (Fig. 73).

Fig. 73:Rango de medición:200mm Eco de fondo en: 145 mm Eco del defecto: 86,7 mm Otra forma de calibración es desarrollar, en el total de la pantalla, la distancia entre el eco de emisión y el eco de fondo de la pieza, y leer la localización del defecto como una fracción porcentual del espesor de la misma (Fig. 74).

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Fig.74: Sea la longitud de medición , por ejemplo 145mm; luego el eco de fondo se lee en 145mm y el eco del defecto en 59,8% de 145mm = 86,7mm Cuando se usan palpadores angulares es sencillo, en algunos casos, determinar la localización de un defecto por la componente horizontal ( distancia proyectada) del haz ultrasónico oblicuo, o por la componente vertical (profundidad) en lugar de hacerlo a través de la longitud del camino sónico. En la práctica, se usan las misma reglas para la localización de defectos que las ya mencionada antes, junto con las correspondientes funciones trigonométricas (factor proporcional para ángulo constante). Muchas veces, cuando se usan palpadores normales o angulares, el fuerte impulso del eco de emisión (su ancho) afecta la resolución y sensibilidad sobre distancias pequeñas, cercanas a la superficie (zona muerta), dificultando la detección de defectos que están muy cerca de la superficie. Se podría pensar que sería más ventajoso visualizar en pantalla, por ejemplo, el rango entre el primer y segundo eco de fondo en lugar de la distancia entre el eco de emisión y el primer eco de fondo, ya que, como se dijo en la sección 2.22, se repite la presentación, y además al ser el primer eco de fondo mucho más estrecho que el de emisión, se esperaría una mejor detectabilidad y resolución a cortas distancias de la superficie. Este método no se recomienda y no debe ser aplicado ya que existe el peligro de que aparezcan indicaciones falsas (ver 4.2). Siempre se usará el rango entre el eco de emisión y el primer eco de fondo; los defectos cercanos a la superficie serán tratados de hallar por medio de palpadores con doble cristal (T/R o S/E), o desde el lado posterior, o por alguna otra técnica. 3.6112. Altura del eco Generalmente se puede decir que no es posible determinar el tamaño exacto de un defecto por medio de la altura de un eco. Se puede observar en las algo simplificadas ilustraciones de la Fig. 75 que la altura de los ecos también depende de la orientación de la superficie reflectora del defecto, del grado de rugosidad (en comparación con la longitud de onda), de la forma (esférica, cilíndrica, plana, etc.), y , por supuesto, del material del defecto (cavidades gaseosas, segregaciones, inclusiones no metálicas).

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Fig.75:Reflexiones y vistas de pantallas obtenidas de diferentes defectos(esquemático, no usar como catálogo). Sin embargo es posible, por medio de series de ensayos experimentales (particularmente en casos de producciones masivas) y junto a ensayos destructivos, adquirir cierta experiencia particular, para los mismos tipos de discontinuidades, y así ser capaz de poder afirmar con bastante seguridad sobre el tamaño de los defectos encontrados. Estas afirmaciones sólo tendrán validez para las mismas o tipos de tareas similares. La altura de los ecos pueden además estar relacionadas con las indicaciones que provienen de defectos artificiales patrones con propiedades definidas (orificios de fondo plano perpendiculares a la dirección del sonido, orificios cilíndricos, ranuras, etc.). Esto permite unificar la técnica de ensayo, lo que es indispensable para establecer normas generales y prescripciones para la realización de los ensayos. 3.6113. Forma del eco La forma de un eco que se muestre sobre la pantalla de TRC permite estimar la forma superficial de un defecto. La experiencia ha demostrado que aquellos que posean superficies lisas, ya sean planos o curvados, producirán un único eco angosto (agudo), mientras que defectos irregulares, con superficies rugosas producirán ecos anchos, interrumpidos, escarpados casi sin ningún pico definido (Fig. 76) . Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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Fig.76: Defectos con diferentes formas y sus resultados de pantalla. 3.6114. Proyección del haz desde diferentes direcciones Si un defecto, una vez detectado, es expuesto a un haz ultrasónico desde distintas direcciones, se obtendrá una mejor evaluación de la forma y tamaño del mismo. Un defecto con forma esférica dará aproximadamente la misma respuesta, esto es la altura del eco, desde diferentes direcciones, mientras que un defecto plano presentará, obviamente, un máximo cuando el haz caiga perpendicularmente a la superficie, y un mínimo cuando sea paralela a esta. 3.612. Indicaciones indirectas de defectos En muchos casos, cuando no son posibles indicaciones directas, los defectos pueden ser indicados indirectamente , por ejemplo en ciertos tipos de porosidad o esponjosidad como se muestra en la Fig. 76 ( inferior - izquierda). La altura del eco de fondo disminuirá considerablemente al mismo tiempo que aparecerán ecos del defecto. Con el ensayo indirecto de defectos, el eco de fondo decrece aun cuando no se visualicen ecos del defecto. La observación del eco de fondo, hoy en día, es parte esencial en algunos modernos ensayos ultrasónicos. Se debe considerar además que una caída del eco de fondo también puede ser causado por rugosidad o curvatura de la superficie como así también por acoplamiento insuficiente. En general son válidas las mismas reglas que para el método de transmisión, donde se observa un decaimiento análogo del pulso penetrante cuando el defecto está localizado entre los dos palpadores ultrasónicos (también aquí la altura del eco depende de la rugosidad, curvatura, calidad de acoplamiento, y, adicionalmente, del correcto posicionamiento. En muchos casos, los resultados del ensayo pueden ser clarificados por los múltiples ecos en lugar de un solo eco de fondo.

3.62. Indicaciones de defectos aparentes Las indicaciones de defectos aparentes son causadas por otros fenómenos más que por defectos verdaderos. Pueden existir las siguientes razones: respuestas a la geometría de la pieza, mala elección de palpadores, conversión de ondas, y ecos espurios o ecos fantasmas por valores demasiado altos de repetición de pulsos. Como la presencia de indicaciones de defectos aparentes dificulta la evaluación de los resultados del ensayo, es preciso evitarlos en la medida de lo posible. Para ello puede procederse, por ejemplo de la siguiente manera: elegir la posición del palpador y la dirección óptima del haz. el rango de evaluación deberá ser entre el eco de emisión y el primer eco de fondo; las indicaciones aparentes, frecuentemente, aparecen después del eco de fondo debido a tiempos y trayectos de recorrido del sonido más largos Si no es posible evitar estas indicaciones dentro del rango de ensayo, es factible predecir, y así, tomar en cuenta el lugar de su aparición. 3.621. Conversión y desdoblamiento de ondas

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3.6211. Incidencia rasante de ondas Cuando las ondas ultrasónicas ( ondas longitudinales) viajan en forma paralela y cercanas a la superficie de la pieza, por ejemplo cuando se ensaya desde un extremo a otro un componente cilíndrico de aproximadamente el mismo diámetro que el cristal del transductor, se pueden producir desdoblamientos a ondas transversales que viajan a través de la pieza con diferentes velocidades y en otras direcciones las que pueden determinarse por medio de la ley de refracción (Fig. 77).

Fig. 77:Generación de ecos satélites por desdoblamiento y reconversión de ondas transversales. 1:Eco de pared de fondo. 2:Primer eco satélite 3:Segundo eco satélite 4:Segundo eco de fondo El desdoblamiento y transformación de ondas transversales puede ocurrir una, dos, tres o más veces tanto en el camino de ida como en el de vuelta, y en cualquier punto de la superficie del componente. Estos ecos, llamados satélites, aparecen siempre después del primer eco de fondo debido tanto, al camino recorrido más largo, como a que la velocidad de las ondas transversales es menor. El tiempo adicional de recorrido es múltiplo entero del tiempo necesario para que la onda transversal viaje a través de la pieza y puede ser calculado como:

D ∆s = 2

cl  1  t ∗ − tgβ   c cos β 

(33)

Donde: ∆s : diferencia de camino sónico entre el primer eco de fondo y el primer eco satélite o entre dos ecos satélites adyacentes. D : diámetro de la pieza. c l : velocidad de la onda longitudinal. c t : velocidad de la onda transversal.

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β: ángulo de la onda transversal desdoblada ( puede ser calculado por medio de la ley de refracción). Además de esto, es posible determinar la velocidad de la onda transversal por medio de los ecos satélites como se indica a continuación:

c = t

cl

1 + (2 ∗ ∆ s )

2

(34)

D

Sin ecos satélites Con ecos satélites Fig. 78 :Ecos de fondo múltiples. 3.6212. Transformación de onda de 29º/ 61º Según la ley de efracción pueden ser generadas por una onda longitudinal que incida oblicuamente sobre una superficie refractante de la pieza, dos tipos de ondas: una onda longitudinal y una transversal (ver sección 1.422). Generalmente, ambos tipos de ondas no tienen la misma energía, dado que las mismas dependen del ángulo de incidencia Fig. 79. En el rango entre 60º a 75º, las ondas longitudinales tienen un marcado mínimo, mientras que las ondas transversales son esencialmente fuertes. Esto significa que una onda longitudinal incidiendo en estos ángulos producirá, principalmente una onda transversal y solamente una débil onda longitudinal. El ángulo de la onda transversal refractada se puede calcular por medio de la ley de refracción. Este fenómeno puede causar una situación complicada cuando los ángulos de ambas ondas suman 90º, y hay un borde de la pieza en escuadra (90º) en el camino sónico. La marcha del camino sónico es el ilustrado en la Fig. 80a. La presión sónica es muy débil en el camino normalmente esperado; la onda transversal generada es mucho más fuerte, pero sigue otra dirección y no vuelve al palpador. Así es que el efecto de borde en escuadra debilita notablemente la reflexión. El caso inverso (Fig. 80 b), debe tomarse en consideración cuando se usan palpadores de 60º.

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Fig.79: Presión sónica de ondas longitudinales y transversales vs. ángulo de incidencia (α) El valor máximo ha sido definido pero sigue otra como 100 %.

Fig. 80: Conversión del tipo de onda 29º/ 61º en una pieza con bordes rectangulares. L: longitudinal ; T: transversal. Los ángulos para cualquier material se pueden calcular con las siguientes fórmulas: α l + βt = 90 º

α t + β l = 90 º

senα l cl = sen β t ct

sen α t ct = sen β l cl

(35)

Para acero se obtienen los ángulos de 29º y 61º. Esto significa que, en acero, una onda longitudinal que incida sobre una superficie con un ángulo de 61º será casi totalmente transformada en una onda transversal con un ángulo de reflexión de 29º, y viceversa. Tales transformaciones de ondas, junto a una forma particular de la pieza, pueden a su vez, dar origen a ecos de defectos aparentes. 3.6213. Ondas superficiales Cuando se usan palpadores con grandes ángulos, y debido a la divergencia del haz sónico, se pueden generar ondas superficiales, las que viajan a lo largo de la superficie con una velocidad diferente a las ondas transversales (ver sección 1.41), y son susceptibles de reaccionar a pequeñas rugosidades de la superficie, causando así indicaciones. Los ecos producidos por estas ondas disminuirán su altura cuando se toque con la punta del dedo con aceite la superficie de la pieza, entre el palpador y la rugosidad que da origen a la indicación. 3.6214. Ondas Lamb Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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Cuando se ensayan chapas metálicas delgadas, muy frecuentemente se generan ondas Lamb en lugar de las ondas transversales ordinarias. La velocidad de estas ondas es función del espesor de la chapa, frecuencia y del tipo de onda Lamb. En estos casos, la inspección deberá ser llevada a cabo usando el método de ondas Lamb exclusivamente, usando un palpador universal (ver secciones 1.41 y 2.3323). Además de esto, la onda Lamb es mucho menos atenuada en el material que la onda transversal por lo que resulta en un ensayo de alta sensibilidad. 3.622. Geometría de la pieza de ensayo 3.6221. Reflectores dentro del camino sonido Frecuentemente las indicaciones son causadas por bordes, ya sea perpendiculares u oblicuos al camino sónico (Fig. 63 arc), y en muchos casos pueden ser evitadas por medio de una adecuada elección del palpador, lugar de ensayo y dirección. De otra forma, la mayoría de las veces, es bastante fácil predeterminar sus localizaciones en la pantalla del TRC. 3.6222. Ecos parásitos por desviación del haz Ecos debidos a la desviación del haz son causados por la geometría de la pieza, como se muestra en la Fig. 63 b. Se producen después del primer eco de fondo cuando se examinan barras redondas desde la superficie cilíndrica. En este caso, la causa de este fenómeno es el ensanchamiento del haz debido a la curvatura de la superficie. Como se muestra en la Fig. 81, se produce una reflexión triangular con y sin transformación del tipo de onda. En muchos casos, los tiempos de recorrido del sonido de los ecos satélites, son mas largos que el del eco de fondo de tal forma que aquellos aparecerán después que este. Además, por la conversión de tipo de onda, el tiempo de recorrido es más largo dada la menor velocidad de las ondas transversales.

Fig.81:Generación de ecos satélites en la inspección de una barra cilíndrica. 1:Primer eco de fondo 2:Eco satélite por reflexión triangular sin conversión de tipo de onda (α 2 = β2) 3:Eco satélite por reflexión triangular con conversión de tipo de onda (α 2 ≠ β2) 4:Segundo eco de fondo Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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3.623. Ecos espurios o fantasmas La aparición de ecos espurios o fantasmas se deben a frecuencias de repetición de pulsos excesivamente altas, esto es intervalos demasiado pequeños entre un impulso y el siguiente. Como cada pulso transmitido también activa (dispara) nuevamente la deflexión horizontal (base de tiempo) del haz electrónico del osciloscopio , puede suceder que al darse una larga secuencia de ecos, los últimos ecos de un impulso emitido aún no se hayan extinguido totalmente cuando se inicia el impulso de emisión siguiente. Como consecuencia del nuevo disparo, los impulsos residuales de una secuencia se presentan en la pantalla conjuntamente con la nueva secuencia de impulsos .En la Fig. 82 se observa el principio de la generación de ecos fantasmas. Un método seguro para reconocer estos ecos, es variando la frecuencia del pulso de repetición de tal forma que, cuando ésta se reduce suficientemente, los ecos fantasmas desaparecerán. En mayoría de los equipos en particular los aparatos para ensayos manuales, la frecuencia de la secuencia de pulsos es conmutada al comando de rango de medición de tal manera que, siempre hay una distancia suficientemente grande entre los distintos pulsos emitidos, con lo que se previene la generación de ecos fantasmas. En el caso de aparatos integrados en instalaciones, donde la frecuencia de la secuencia de impulsos también puede ajustarse independientemente de la longitud de medición, debe contemplarse la posibilidad de estos ecos en caso de manejo incorrecto.

Fig.82:Formación de ecos fantasmas. Izquierda:: distancia suficiente entre pulsos. Derecha: ecos fantasmas causados por distancia insuficiente entre pulsos de transmisión. Los últimos ecos múltiples de una secuencia anterior son visibles entre los ecos de la nueva secuencia.

3.7 DETERMINACION DE LA FORMA Y TAMAÑO DE DISCONTINUIDADES Dado cualquier discontinuidad como puede ser una cavidad en una fundición de hierro representará un obstáculo para la onda sónica. La información de este defecto se puede obtener por medio de la onda reflejada en él (su eco) cuando se usa el método del eco o por medio de su sombra cuando se aplica el método de la medición de la intensidad del sonido. Tanto el eco del defecto como de su sombra están basados en conceptos puramente ópticogeométricos por lo que la información que se puede obtener sólo será posible en los casos de discontinuidades grandes y regulares como por ejemplo en fisuras transversales planas y lisas en una barra donde la onda incidente se reflejará como en un espejo y con una sombra total detrás de ella. Sin embargo, los defectos naturales pueden ser tan pequeños que produzcan fenómenos de difracción tanto en el eco que producen como en su sombra. Por esto las discontinuidades se

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clasifican de acuerdo a sus dimensiones transversales con respecto al haz sónico en discontinuidades grandes y pequeñas. Se aclara que la designación de "pequeño" no es una evaluación de la seriedad de la discontinuidad con respecto a la pieza en ensayo o lo que es lo mismo como puede afectar su aptitud para el servicio.

3.71. Discontinuidades grandes. El tamaño de las discontinuidades grandes o sea aquellas que son mayores que la sección transversal del haz sónico a la profundidad del defecto se pueden estudiar por el método de los valores medios o método de exploración dinámica. El estudio se realiza de la siguiente forma: se barre la pieza fuera de la zona donde se encuentra el defecto sin que existan interferencias de paredes laterales. Si se obtiene eco de fondo este se calibra a una determinada altura total de pantalla ( por Ej. 80% ATP) . Cuando el haz comience a interceptar el defecto el eco de fondo comenzará a disminuir tomándose como proyección del defecto sobre la superficie de la pieza aquel punto en el cual el eco de fondo haya disminuido a la mitad del valor de la ATP calibrada anteriormente (en nuestro Ej. 40% ATP). En este punto el eje del haz se encontrará en el borde del defecto. Así se continúa delimitando el contorno de la falla. Ver Fig. 83. En el caso de fallas alargadas en las cuales sólo la dimensión longitudinal sea mayor que el diámetro del haz se podrá determinar por este método solamente esta longitud. Siempre es preferible trabajar con un haz de rayos lo más paralelos posibles esto es en el campo cercano en un palpador de gran diámetro o en el campo lejano con palpadores de pequeño ángulo de divergencia.

Fig. 83: Comportamiento del eco del defecto y del eco de fondo durante el barrido de un defecto grande. Este método necesita del eco de fondo (superficies de barrido y de fondo paralelas) no siendo imprescindible la aparición del eco del defecto el cual podrá estar en posición oblicua o ser volumétrico (cavidad de contracción). De esta forma los resultados serán independientes de la ganancia del ensayo y de la orientación o forma del defecto. Si por cualquier razón no se tuviera eco de fondo el ensayo se podrá realizar de la misma forma pero con el eco del defecto. En este caso los resultados obtenidos si dependerán del nivel de sensibilidad del ensayo (ganancia) y la orientación o forma del defecto. Es claro que cuando la discontinuidad en estudio sea paralela a la superficie de barrido los resultados serán reales pero en el caso de orientaciones o geometrías diferentes (falla oblicua o rugosidad) los resultados serán sólo aproximados al real dependiendo de que criterio de mínima altura de la indicación de su eco se adopte el que indicará dónde comienza la heterogeneidad. De la misma forma se podrán medir por medio de palpadores angulares de 70º a 75º la profundidad de fisuras superficiales o la distancia de fisuras desde la superficie en el caso de que estas existan y sean grandes por ejemplo en forjados. Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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De ser posible la profundidad se medirá de ambos lados y los resultados promediados.

3.72. Discontinuidades pequeñas La determinación del tamaño de defectos pequeños (área del defecto menor que la sección transversal del haz sónico) se puede realizar solamente midiendo el eco de máxima amplitud producido por el defecto. Este método se llama de determinación estática (sin movimiento del palpador) y luego se lo compara con discontinuidades conocidas. Estas discontinuidades o reflectores pueden ser: 1) Discontinuidades naturales conocidas de idéntica naturaleza y morfología que las estudiadas. Es el caso ideal pero también el más limitado pues se puede aplicar en casos muy particulares como por ejemplo en grandes producciones sistemáticas en donde se puede presentar un tipo determinado de defecto. 2) Discontinuidades artificiales de morfologías "similares" a las esperadas. También difícil de aplicar. Se suele utilizar en casos de estudios cuidadosos de las condiciones de ensayo. 3) Reflectores en forma de disco circular plano. Usualmente se utilizan orificios de fondo plano de distintos diámetros para obtener los resultados como una aproximación que dependerá de cuán alejado estemos de la realidad del defecto en estudio. En general las discontinuidades naturales tienen superficies rugosas e irregulares lo que dará indicaciones de menor altura que un disco circular con igual superficie de reflexión por lo que el tamaño de una discontinuidad natural pequeña será igual o mayor que la de un disco circular perpendicular al haz sónico presente en la misma muestra y cuyos ecos sean de igual altura. Una técnica muy usada que compara el tamaño de una heterogeneidad con discos circulares planos es la que emplea los Diagramas AVG.

Diagramas AVG Estos diagramas son una recopilación de respuestas de discontinuidades de referencia de distintos diámetros y a distintas distancias. Intervienen las variables: A : distancia del palpador a la discontinuidad (ordenada del diagrama ; escala logarítmica). V : ganancia( abcisa en el diagrama; escala decimal e invertida) G : diámetro de la discontinuidad de referencia o equivalente (curvas del diagrama). La curva que está indicada con ∞ (infinito) corresponde a la respuesta de una discontinuidad de tamaño infinito (con respecto al tamaño del diámetro del palpador) y es el eco de fondo de la pieza. Con estos diagramas lo que se obtiene es que : La discontinuidad en estudio tiene una respuesta similar a la de un disco circular plano (orificio de fondo plano) de un determinado diámetro. Existen Diagramas particulares (Fig. 84) para cada palpador en general dados por el fabricante y que son los normalmente usados y un Diagrama general (o normalizado) que es adimensional (Fig. 85). En el Diagrama general A (adimensional) es la distancia a la discontinuidad dividido el campo cercano del palpador que se utilice; G (adimensional) es el diámetro de los discos planos de referencias dividido por el diámetro del palpador utilizado.

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La zona izquierda del diagrama es la región de incertidumbre del campo cercano por lo que no es posible trabajar allí. Los pasos del procedimiento son los siguientes: a) Se elige un reflector de referencia. Este puede ser el fondo de la pieza el de la probeta u orificios de fondo plano de un determinado diámetro. b) Se calibra el equipo con un rango de trabajo de acuerdo a las distancias antes elegidas. -Se fija con la ganancia la ATP adecuada para el eco de la discontinuidad de referencia y se anota dicho valor. c) Con la distancia a la discontinuidad de referencia se entra en el diagrama hasta cortar la curva que corresponda a la misma ( ∞ ) si la referencia es el fondo de la pieza). Este será el punto que representa su respuesta. Moviéndose sobre la horizontal hasta el eje de ordenadas se lee el valor de la ganancia que corresponde a este punto sobre el diagrama. d) Con la misma calibración hecha en b) se busca el eco máximo de la discontinuidad en estudio y con la ganancia se lo lleva hasta la misma ATP que fue fijada en b) para la discontinuidad de referencia. Se anota la diferencia de dB. e) Sobre el diagrama y con la distancia de la discontinuidad real se traza una vertical hasta interceptar a una horizontal que se obtiene de sumar o restar al punto de referencia los dB hallados en d). Este nuevo punto así hallado representa a la discontinuidad real y la curva G que lo intercepte nos dará el diámetro equivalente de un orificio de fondo plano que tendrá una respuesta semejante a la de la discontinuidad real. Se darán a continuación ejemplos de usos de los diagramas AVG: Ejemplo 1- a : Diagrama particular. Datos:- Pieza a ensayar: barra de acero forjado de 200 mm de diámetro y 250 mm de longitud. Palpador : Krautkr5amer B2 S-N Serie D Discontinuidad de referencia: eco de fondo (250 mm) Eco de fondo a 80 % ATP : 26 dB (equipo) Eco de fondo : 11 dB(diagrama) Eco del defecto se observa a : 200 mm de profundidad - Eco del defecto llevado a 80% ATP :40 dB (equipo) Diferencia de ganancia (en equipo) : 40-26= + 14 dB e) - En el diagrama : 11 + 14 = 25 dB Subo con 200 mm (profundidad del defecto) hasta 25 dB dando un defecto equivalente de 8 mm de diámetro. Ejemplo 1- b: Diagrama particular Datos: Pieza a ensayar: barra de acero forjado de 200 mm de diámetro y 250 mm de longitud. Palpador : Krautkrämer B2 S-N Serie D a) - Discontinuidad de referencia: orificio de ∞ = 8mm - Profundidad : 500 mm b) - Eco de referencia. a 80 % ATP : 36 dB (equipo) c) - Eco de referencia : 40 dB(diagrama) d) - Eco del defecto se observa a : 300 mm de profundidad - Eco del defecto llevado a 80% ATP : 46 dB (equipo) - Diferencia de ganancia (en equipo) : 46-36= + 10 dB e) - En el diagrama : 40 + 10 = 50 dB

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- Subo con 300 mm (profundidad del defecto) hasta 50 dB dando un defecto equivalente de 2.8 mm de diámetro (aprox.). Nota: en el punto d) la diferencia de ganancia (en equipo) podría ser negativa si el eco del defecto sobrepasara el 80% de la ATP . En este caso en el punto e) en el diagrama se deberá restar ( y no sumar) los dB al valor antes obtenido.

Fig. 84: Diagrama particular. Ejemplo 2: Diagrama general ( o normalizado). a) - Discontinuidad de referencia: eco de fondo (100 mm) - Campo cercano del palpador utilizado : 10 mm - Diámetro del palpador : 10 mm A

1

=

b) c) d) A

dis tan cia al eco de fondo 100 = = 10 campo cercano del palpador 10 - Eco de fondo a 80 % ATP : 40 dB (equipo) - Eco de fondo : 15 dB(diagrama) - Eco del defecto se observa a : 50 mm de profundidad

2

=

50 =5 10

- Eco del defecto llevado a 80% ATP : 54 dB (equipo) - Diferencia de ganancia (en equipo) : 54-40 = + 14 dB e) - En el diagrama : 15 + 14 = 29 dB - Subo con 5 (profundidad del defecto) hasta 28 dB dando G = 0.3 El defecto equivalente será: G=

φ defecto → ∞ defecto equivale = 0.3 ∗ 10 = 3mm φ palpador

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82

Fig. 85: Diagrama general.

Método DAC Descripción de reflectividades: Para describir reflectores desconocidos de sección menor que la del haz, generalmente se compara la altura del eco que genera éste con el eco de un reflector artificial de forma y tamaño conocido ( eco de referencia). Para relacionar las alturas de ambos ecos se puede utilizar diferentes formas que se explicarán con el siguiente ejemplo: 1) Descripción de alturas de ecos.: supongamos que se haya colocado el eco de fondo ( Pos. 1) a 80% ATP y que a continuación se haya localizado un defecto que con la misma amplificación alcanza tan solo el 40% ATP (Pos.2)

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1

2

defecto Pared posterior (reflector de referencia) Eco de referencia

Eco del defecto

Fig. 6.1. : Comparación de reflectividades. La diferencia de reflectividades se puede expresar de tres formas. 1.1 Relación de alturas de ecos (H2 / H1)

H 2 40% 1 = = = 0,5 H 1 80% 2 En otras palabras el eco referido tiene la mitad de la altura del eco de referencia. 1.2 Diferencia entre alturas de ecos (∆H) en dB. Según una convención se define la diferencia entre dos alturas de ecos expresada en dB por el logaritmo de la relación de altura entre ambos multiplicada por 20

∆H = 20. log

H2 H1

en este caso es:

∆H = 20. log

40 80

= −6dB

lo que indica que el eco comparado tiene una altura 6 dB menor (−) que la del eco de referencia. 1.3 Diferencia de amplificación ( ∆V) en dB Para determinar la diferencia de amplificación ∆V, se coloca, mediante el mando de amplificación, el eco a evaluar a la misma altura de pantalla, como la del eco de referencia y se comparan los valores.

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3-Principios básicos de aplicación Referencia

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Comparación

GK GF Gk = Amplificación del equipo correspondiente al eco de referencia Gf= Amplificación del equipo correspondiente al eco a comparar ( o del defecto) a la altura de referencia ∆Vf:= Diferencia de amplificación. ∆Vf:= Gf −Gk En este caso podría ser Gk = 16 dB y Gf = 22 dB por lo que ∆Vf:= 22 −16 = + 6 dB. Lo que indica que la amplificación del equipo ha tenido que ser aumentada (+) en 6 dB para que el eco del defecto alcanzara la altura de referencia. Como se ve, los valores de ∆H y ∆V se diferencian solamente en el signo: ∆H = −∆V 2) Comparación directa de reflectividades- Método DAC ( Distancia – Amplitud – Corrección) Este método se basa en bloques de comparación que deben tener una geometría y ser de un material similar al objeto de ensayo. Estos bloques tienen reflectores artificiales de determinada forma y tamaño ( reflectores de comparación). De acuerdo a la geometría del objeto de ensayo se hallan determinadas en especificaciones y Códigos las medidas específicas de los bloques de comparación. En la mayoría de los casos se utilizan agujeros transversales como reflectores de comparación. 2.1 Procedimiento según el método DAC. 1) Ajuste el equipo en recorrido o dpa. 2) Construcción de la línea de referencia Para ello se generan ecos de los reflectores de comparación sin variar la amplificación del equipo, uniendo los picos de los ecos. De esta forma se obtiene la línea de referencia ( Fig. 6.2)

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Fig. 6.2. Curva DAC A continuación se anota el valor de amplificación del equipo ( Gk) con la que se construyó la línea de referencia. 3) Corrección de transferencia ∆VT Se puede dar el caso que el objeto de ensayo tenga una superficie de peores condiciones que el bloque de referencia o que su estructura sea diferente. Para compensar estos efectos se realiza una corrección de transferencia. Para ello hay que determinar previamente las pérdidas de sensibilidad ∆VT al pasar de un cuerpo al otro. Determinación de ∆VT Para ello se generan con dos palpadores del mismo tipo, las indicaciones de transmisión en V, colocándolas a la misma altura de la pantalla ( FIG 6.3) R

E

R

E

d2

d1 Bloque comparación

de

Objeto

de

80% ATP

GT1

GT2 FIG 6.3 Determinación de ∆VT

Se anotan las dos amplificaciones del equipo GT1 y GT2 a partir de las cuales se determina la corrección de transferencia: Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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∆VT = GT1 − GT2 Condición: d1 = d2 Esta diferencia contiene las pérdidas ocasionadas por diferencias de superficie y en parte por diferencia de atenuación. 4) Amplificación adicional ∆VT (dB) Puede darse el caso que se quiera registrar con una mayor sensibilidad (∆V) que la correspondiente al reflector de comparación. 5) Sensibilidad de registro GR (dB) La sensibilidad de registro se obtiene de las suma: GR = GK + ∆ VT + ∆ V 6) Descripción de reflectores. Todos los reflectores que llegan a la línea de referencia o la sobrepasan con la amplificación GR deben registrarse, determinándose la diferencia con respecto a la línea de referencia ∆HF en dB. En este caso el valor ∆HF también suele llamarse sobrepaso del límite de registro.

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3.8. CONSIDERACIONES EN LA CONSTRUCCION DE PIEZAS Cuando una pieza deberá ser ensayada ultrasónicamente por ejemplo por seguridad se deberá tener en cuenta esto desde su proyecto. Tanto en los materiales provistos como en la manufacturación y procesos de maquinado los posibles eventuales defectos y su posicionamiento pueden ser previamente estimados en la mayoría de los casos por lo que deberían ser consideradas áreas adecuadas para el acoplamiento geometrías acústicas simples para una evaluación fácil de los resultados del ensayo. Ecos causados por la geometría de la pieza o por conversión de ondas pueden ser evitados con geometrías adecuadas. Sin embargo hoy en día, estos requerimientos no son satisfactoriamente considerados haciendo frecuentemente que el ensayo sea dificultoso, caro y hasta imposible de realizar.

3.9. PROCEDIMIENTOS GENERALES DEL ENSAYO ULTRASONICO Las técnicas de ensayo, las cuales se encuentran en especificaciones y reglas, son los resultados obligados de los procedimientos que se mencionan más adelante. En muchos casos será necesario un diagrama en escala. Principio básico: La respuesta a la dirección de propagación del sonido en el arreglo de ensayo, depende de la existencia del defecto. En muchos casos, el defecto en la pieza es conocido ( por ejemplo piezas reclamadas por haber sufrido corte o quebradura) o pueden ser, al menos estimada (área , forma , orientación) considerando las propiedades del material y los procesos sufridos. La determinación de la dirección necesaria del haz sónico se debe efectuar desde la posición del defecto hacia la superficie; mientras que en un defecto volumétrico, principalmente aquellos esféricos, hay libertad en la elección de la dirección, un reflector cilíndrico podrá ser hallado desde todas las direcciones perpendiculares al eje del cilindro. Existen mayores restricciones para un reflector plano el cual será detectable solamente desde una dirección (y la opuesta respectiva) perpendicular a su superficie o por la técnica en tándem ( dos palpadores, uno emisor y el otro receptor). Las direcciones del sonido dependen obligatoriamente de estas consideraciones. La siguiente consideración es que el área de interés de la superficie sea accesible para un adecuado acoplamiento. Si esto se da, la técnica de ensayo puede ser directamente deducida: según el ángulo con la superficie, incidencia del sonido perpendicular u oblicua; se pueden usar técnicas por contacto directo o por inmersión, en caso de la técnica de contacto y camino sónico corto, palpadores de doble cristal. Cuando se usa incidencia oblicua puede ser necesario calcular, dependiendo del material, los ángulos por medio de la ley de refracción ( ver 1.422, (11)). En la técnica de inmersión se debe tener cuidado de asegurarse que el tiempo de recorrido del sonido en el líquido nunca será menor que en la pieza para evitar ecos múltiples de interferencia en el rango de ensayo (ver 3.5). Cuando el área determinada para el ensayo sea inaccesible, o cuando exista peligro de indicaciones aparentes dentro del rango de ensayo, se buscarán otras técnicas. Se deberán considerar las siguientes posibilidades: 1.Si el área de la superficie es inaccesible, excepto que se puede llegar a la zona de interés por otra dirección del sonido (zig-zag) , podrán ser aplicadas las reglas de reflexión para encontrar una nueva dirección la cual guíe a otra área de la superficie. 2.Elección de una dirección diferente del sonido, bajo circunstancias de no perpendicularidad al defecto. En caso de defectos cercanos a la superficie, se puede utilizar el efecto de borde como el descrito en 2.3321, Fig. 40, en donde ambas direcciones delantera y trasera de la onda ultrasónica casi coincide, lo cual permite el uso de un solo palpador. Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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3.Si el efecto de bordes no puede ser utilizado, se podrá también encontrar oblicuamente un plano del defecto en el cual se reflejará según las leyes de reflexión (1.422). La dirección perpendicular al plano del defecto es, en este caso, la bisectriz del ángulo. Esta técnica de ensayo es conocida como " técnica en tándem", y generalmente requiere dos palpadores separados, uno emisor y el otro receptor . Las consideraciones ya mencionadas para la superficie deben ser, en este caso, tenidas en cuenta para cada palpador. 4. En casos de defectos con una fuerte dispersión se puede usar un arreglo semejante al indicado en 3 pero asimétrico. Esto es también llamada "técnica delta" que consta de un palpador transmisor y otro receptor separados. Frecuentemente serán posibles varios arreglos de ensayo. En estos casos se recomienda seguir preferentemente lo que se describe a continuación: 1.Los defectos planos serán detectados perpendicularmente: técnica de ensayo simple y fácil de inspeccionar con un palpador. 2.Relacionado a la superficie de la parte bajo ensayo: en muchos casos el uso de palpadores normales (vertical) es más simple que el de los palpadores angulares, por lo que se los preferirá. 3.En lo posible se usará un camino sónico recto sin cambios de dirección dentro de la pieza. 4.Serán más favorables las técnicas de ensayos con un solo palpador por ser, generalmente, más simples que en tándem o delta. 5.Darán mayor seguridad y confianza los arreglos de ensayos en los cuales aparezca un eco de referencia en el fondo del rango de ensayo ( por ejemplo pared posterior o eco de un borde ). 6.Se deberán evitar los arreglos de ensayos que den indicaciones aparentes ( ver 3.32 y 3.62). 7.Por razones económicas, el volumen de la pieza a ensayar será el mayor posible al mismo tiempo que el área de inspección lo más pequeña que se pueda. 8.Cuando la orientación del plano de un defecto es desconocido, el ensayo deberá llevarse a cabo desde distintos sitios de la superficie. Ejemplo: defectos planos en barras: inspeccionar desde varias generatrices. 9.El método de transmisión será usado solamente en los casos cuando el método de pulso-eco falle. Esta compilación contiene los más importantes puntos de vista para juzgar las soluciones a los distintos problemas de ensayos ultrasónicos. Con una poca experiencia se reconocerá fácilmente la técnica óptima de ensayo. Existe también un gran número se especificaciones, los que podrán ser aplicados por analogía en piezas similares, y los que facilitarán la solución de problemas.

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Bibliografía

Bibliografía: “ Introducción a los Métodos de Ensayos No Destructivos”. Instituto Nacional de Técnica Aero Espacial (Madrid). “ Ultrasonic Testing ” Dr. Ing. Volker Deutsch and Manfred Vogt “ Ultrasonic testing of Materials “ Krautkrämer ASM Handbook Vol 17 Normas ASTM Normas IRAM- CNEA CNEA Código ASME Sección V CNEA Y 500- 1 002

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