Curso UT Nivel I

UTN DELTA – GRUPO de ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

CURSO de ULTRASONIDO NIVEL I

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

INDICE 1 - Conceptos Básicos 1.1 Movimientos Armónicos 2.1.1 Amplitud 2.1.2 Período 2.1.3 Frecuencia 2.1.4 Longitud de onda 1.2 Propagación de la onda sónica 2.2.1 Movimiento de la partícula 2.2.2 Modelo elástico 2.2.3 Rango de frecuencia ultrasónica 2.2.4 Velocidad de propagación 2.2.5 Energía e intensidad acústica 2.2.6 Impedancia acústica 2 - Modos de vibración 2.1 Ondas longitudinales 2.2 Ondas transversales 2.3 Ondas de Rayleigh 2.4 Ondas de Lamb 3 - Modos de conversión 3.1 Reflexión / Refracción 3.2 Ley de Snell 3.3 Primer ángulo crítico 3.4 Segundo ángulo crítico 4 - Perfil del haz sónico 4.1 Zona muerta 4.2 Campo cercano y lejano 4.3 Divergencia 5 - Fenómenos de atenuación 5.1 Absorción 5.2 Dispersión 5.3 Difracción 6 - Generación de onda ultrasónica 6.1 Efecto piezoeléctrico 6.2 Cristal de cuarzo 6.3 Materiales Ferroeléctricos 7 - Construcción de palpadores 7.1 Palpadores normales 7.2 Palpadores angulares 7.3 Resolución - Sensibilidad 8 - Equipo Ultrasónico 8.1 Representación Barrido A 8.1.1 Diagrama de Bloque y funciones electrónicas del equipo 8.2 Representación Barrido B 8.3 Representación Barrido C

CAC- JMG

Pagina 1de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

9 - Métodos de Acoplamiento 9.1 Inmersión 9.2 Contacto directo 9.3 Selección de acoplante 9.4 Condición de superficie - Configuración 10 - Patrones y Bloques de Calibración 10.1 Bloques según ASME 10.2 Patrones del IIW 10.2.1 Determinación del punto de salida 10.2.2 Determinación del ángulo de refracción 11 - Calibración del Sistema de ensayo 11.1 Calibración en distancia 11.1.1 Camino sónico 11.1.2 Distancia proyección 11.1.3 Distancia proyección acotada 11.2 Calibración de Sensibilidad 11.2.1 Curvas DAC 12 - Técnicas de ensayos 12.1 Interpretación 12.2 Medición de espesores 12.3 Inspección de productos tubulares

CAC- JMG

Pagina 2de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ULTRASONIDO Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de idéntica naturaleza (mecánica elásticas) que las ondas sónicas y se caracterizan además, por operar con frecuencias por encima de la zona audible: Ondas Infrasónicas con frecuencia F < 16 Hz (Hertz) Ondas Sónicas entre 16 Hz < F < 20 KHz dependiendo de su frecuencia e intensidad son audibles. Ondas Ultrasónicas con F > 20 Khz. El límite superior depende de la posibilidad de generación y recepción y se ha llegado hasta los 1000 MHz. En el ensayo de materiales la frecuencia de trabajo está comprendida en el rango de 0.2 MHz a 25 MHz. Estas ondas ultrasónicas pueden propagarse en todo medio que posee materiales (átomos o moléculas) capaz de vibrar, por lo que tendrá lugar en sólidos, líquidos o gaseosos. No se transmiten ondas ultrasónicas en el vacío por no existir materia. Las ondas ultrasónicas responden a un sistema de vibraciones mecánicas de parámetros localizados, es decir que un cuerpo puede ser sometido por masas concentradas y conectadas entre sí, con resortes y sometidas a fuerzas.

El principio básico de un ensayo ultrasónico es la transmisión y reflexión de ondas ultrasónicas en superficies límites de materiales con propiedades elásticas, cuya representación esquemática del sistema de ensayo es el siguiente. El transductor o palpador posee un material piezoeléctrico que transforma impulsos eléctricos provenientes del equipo ultrasónico en vibraciones mecánicas que se transmiten a la pieza de ensayo a través de un agente acoplante.

CAC- JMG

Pagina 3de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

La perturbación generada viaja por el material con un velocidad constante y frecuencia fija, en forma de un onda elástica con transporte de energía en forma de vibraciones mecánicas y no de masa. Si en su trayectoria encuentra una superficie límite esta onda se refleja hasta llegar nuevamente al palpador donde se transformará en un impulso eléctrico, y esta señal se mostrará en el tubo de rayos catódicos del equipo para su posterior evaluación. 1.1 MOVIMIENTO ARMÓNICO Todo punto material sometido a la acción de una fuerza central, proporcional a la distancia del centro de atracción, responde a un movimiento vibratorio armónico. Lo expuesto significa la presencia de un fenómeno periódico de oscilación, es decir recorridos de un elemento de masa reversible en el tiempo alrededor de una determinada posición de equilibrio. Un ejemplo de esto lo demuestra la oscilación de un elemento de masa suspendido entre dos resortes, después de quitarlo de la posición de equilibrio.

Definimos como oscilación al cambio periódico de posición de un elemento de masa. Todo movimiento armónico puede representarse mediante una ecuación que define las vibraciones sinusoidales.

1.1.1 AMPLITUD (A) Es la máxima deflexión o desplazamiento de un partícula oscilante desde su posición de equilibrio. La amplitud se representa con la letra A y su unidad de medida es el milímetros [mm]

CAC- JMG

Pagina 4de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

En materiales sólidos la amplitud alcanza un valor aproximado de dos millonésima de la longitud de onda. Para determinadas oscilaciones puede mantenerse constante en el tiempo.

A esto le llamaremos oscilaciones no amortiguadas. A1 = constante Si la amplitud decrece en el tiempo la llamaremos oscilaciones amortiguadas. Ej.:

1.1.2 PERÍODO (T) El período de oscilación de un elemento de masa es el tiempo necesario para completar un ciclo de oscilación se simboliza con la letra T y su unidad es el segundo [s].

CAC- JMG

Pagina 5de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

1.1.3 FRECUENCIA (F) Es el número ciclos completos de oscilación por segundo, que posee una partícula o elemento de masa. Se la designa con la letra F y su unidad es el Hertz [Hz]. f [s-1] = Hertz [Hz] = Ciclos / segundos Sus múltiplos son: (Kilo Hertz)= 1 KHz = 1000 Hz (Mega Hertz)= 1 MHz = 1 000 000 Hz (Giga Hertz)= 1 GHz = 1 000 000 000 Hz.

En una onda ultrasónica la frecuencia es la misma para todas las partículas y es idéntica a la frecuencia del generador. La frecuencia se relaciona con el período de oscilación mediante la relación: F= 1/T =[1/seg] por lo tanto T=1/F =[seg] 1.1.4 LONGITUD DE ONDA Es la distancia entre dos puntos medios de dos zonas consecutivas en las que se encuentran partículas en igual estado de oscilación (igual velocidad y dirección) Se la simboliza con la letra λ (Lambda) y su unidad es el milímetro [mm]

CAC- JMG

Pagina 6de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

1.2 PROPAGACIÓN DE LA ONDA La propagación de una perturbación, dentro de un material con propiedades elásticas, se manifiesta en forma de ONDA. A diferencia de las ondas electromagnéticas como la luz ó el calor, las ultrasónicas sólo pueden propagarse en la materia y se sujeta al principio de Huyghens. El principio considera que el área de una fuente sónica, como por ejemplo un oscilador transductor, se puede dividir en un número infinito de fuente de sonido puntiforme solapadas unas con otras. El resultado es un frente de onda plana paralela a la superficie de emisión. Si observamos la propagación de este frente de ondas planas a mayor distancia del oscilador, vemos que el haz sónico diverge (se abre), como si fuera un haz de luz.

CAC- JMG

Pagina 7de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

En la figura observamos que cada onda esférica individual influye con otros, en el mismo plano, durante su propagación. Este fenómeno es llamado Interferencia. Como ejemplo de Interferencia tenemos el caso de suma de amplitudes diferentes en un mismo lugar, donde una nueva onda resultante puede ser amplificada, atenuada o cancelar la anterior (onda estacionaria). Amplificación Atenuación Cancelación

1.2.1 MOVIMIENTO DE LA PARTÍCULA Las partículas vibran alrededor de su posición de equilibrio o reposo, esto es posible debido a la existencia de una fuerza de cohesión molecular presente en todo material, estas fuerzas constituyen la conexión elástica, por lo tanto puede, en principio, formarse una onda en cualquier medio.

CAC- JMG

Pagina 8de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Si en un material desplazamos una partícula de su posición de reposo esta experimenta una perturbación que transmitirá a las partículas circundantes. Se pone de manifiesto un estado vibratorio de las partículas que el transmitirse entre sí ponen de manifiesto la propagación del movimiento vibratorio. Todas las partículas que vibran en un mismo instante estarán en el mismo estado de vibración y formarán un frente de onda. Entonces, si aquellas partículas conectadas elásticamente las excitamos con una oscilación, el resultado son ONDAS. 1.2.2 MODELO ELÁSTICO El modelo representativo de una oscilación elástica de un partícula es el péndulo o resorte. El gráfico representa el camino recorrido, por masa sujeta al extremo del resorte, en función del tiempo. Si la fuerza elástica suministrada aumenta, aumentará proporcionalmente el desplazamiento. Si ahora imaginamos un cuerpo donde todas las partículas individuales se mantienen en posición mediante fuerzas elásticas podremos representar el modelo elástico de un cuerpo en dos o tres dimensiones. Modelo Elástico en dos dimensiones de un cuerpo.

Modelo elástico en dos dimensiones de un cuerpo Si este cuerpo es sometido a esfuerzos de compresión o tracción, por debajo del límite elástico, la perturbación viajará por el material con una velocidad que le es propia y la perturbación así presentada es una onda elástica. Estas ondas son el producto de descomposiciones de zonas de mayor presión acústica o zonas bajas o nula presión acústica. El Modelo elástico no es aplicable a materiales en estado líquido o gaseoso ya que las partículas individuales no están sujetas a una posición, pero esto sí pueden transmitir ondas elásticas en forma de sobrepresiones y depresiones por choque de partículas. 1.2.3 Rango de frecuencias ultrasónicas El sonido se caracteriza por corresponder a determinados límites de frecuencia y de presión o intensidad sonora que son las variables que permiten reconocer el área normal de audición gráficamente es:

CAC- JMG

Pagina 9de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

La inferior o umbral de audición y la superior o umbral de dolor, el área encuadrada por las dos curvas es la región del sonido audible. En el espectro auditivo ubicamos la región de los END en el rango de las ondas lejanas. Comenzando desde los 0.5 Mhz. para estructuras cristalina al estado sólido como el caso de metales. La frecuencia de uso más común en los END son: 0.5 MHz. - - 1 MHz. -- 2 MHz - - 4 MHz. - - 6 MHz. - -10 MHz 1.2.4 VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN La velocidad de propagación o velocidad acústica es: "La velocidad de propagación de la onda en un material dado". Se simboliza con la letra "C" y su unidad es el metro/segundo.

C [m/seg.]

Es constante para cada material por tanto la velocidad es una característica del mismo para cualquier frecuencia y longitud de onda. Se puede calcular las velocidades de los diversos tipos de onda a partir de las constantes elásticas del material que es Módulo de Elasticidad E [N/m²] la relación de Poisson (adimensional) y de la densidad [kg/m3] . Para el cálculo de la velocidad acústica en materiales sólidos se desprecia la temperatura ,presión. Para los gases y líquidos la velocidad depende de los estados, presión y temperatura La diferencia entre velocidad acústica C y la velocidad instantánea de vibración V [m/seg], es que ésta última indica la velocidad propia de la partícula oscilante. Material

Densidad 103 Kg/M3

Velocidad Acustica [m/s] Vl long.

AIRE AGUA

CAC- JMG

0.00129 1

331 1483

Pagina 10de 67

Impedancia Acustica 106 .Kg/m2.s

Vt.trans -------

0.000427 1,5

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

ACERO ALUMINIO FUNDICIÓN COBRE

7,85 2,7 7,2 8,9

5900 6320 3500 –5600 4700

3230 3080 2200 -- 3200 2260

46.5 17 25 -- 40 42

La velocidad acústica se relaciona con la longitud de onda y la frecuencia mediante la expresión que tenemos a continuación.: C λ = = [mm] f observamos que: ƒ Con el aumento de la frecuencia (f) disminuye la longitud de onda (λ). ƒ Disminuyendo la frecuencia (f) aumenta la longitud de onda (λ). Como vemos estableciendo una frecuencia de ensayo obtendremos una longitud de onda para un determinado material, lo cual me permite relevar indicaciones hasta una dimensión de λ/2 (media Lambda). En la siguiente tabla se dan los valores de longitud de onda en agua y acero para las utilizables en la práctica F (MHz)

0,5

1

2

2,5

4

5

6

10

λL (mm) AGUA λL (mm) ACERO

3 12

1,5 6

0,75 3

0,6 2,3

0,36 1,5

0,3 1,2

0,25 1

0,15 0,6

1.2.5 PRESIÓN ACÚSTICA (P) Ondas Longitudinales La presión acústica es fuerza por unidad superficie normal a la de superficie de la onda. Ondas Transversales Fuerza cortante por unidad de superficie paralela a la superficie de la onda (Presión acústica) La Altura de Indicación de un eco está relacionada proporcionalmente (equipos pulso - eco)

con la Presión acústica

En zonas de gran densidad de partículas existe una alta presión y en zonas baja densidad de partículas una baja presión. A estas presiones alternativas se las denomina Presión Acústica Esto ocurre en sólidos, líquidos y gaseosos. A la desviación máxima de la presión con respecto a la presión cero se la denomina "Amplitud de la Presión Acústica (P)" y se relaciona con la Amplitud de oscilación (A). La manera de representar estas relaciones de amplitudes en ultrasonido es el decibel [dB] Para amplitudes con una presión acústica P, se aplicará la siguiente ecuación: α [dB] = 20 log Po/P1 Po = presión inicial P1 = presión al cabo del tiempo t. Ej: La relación de amplitudes en [dB] entre las amplitudes: ƒ ƒ

CAC- JMG

Po y P1 => decibeles = 20 log Po/P1 = 20 log 1/0,5 = 6 dB Po y P2 => decibeles = 20 log Po/P2 = 20 log 1/0,25=12 dB

Pagina 11de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

1.2.6 IMPEDANCIA ACÚSTICA "Es la relación entre la presión acústica y la velocidad máxima de vibración". Z = P / C [Kg/m²seg] Valores para ondas planas y esféricas. Baja Z Acústicamente blandos Los elementos de masa vibran a más velocidad (poca resistencia a la deformación).

Elevada Z Acústicamente duros Los elementos de masa vibran más lento, el medio ofrece resistencia a la deformación elástica.

Z =indica cuanto se opone a la vibración los elementos de masa, pero no a la propagación de la onda. La forma más simplificada es:

Z = δ. C [Kg/m²seg]

Donde la densidad es una constante del material Z sólido > Z líquido > Z gaseoso Acero Aluminio Agua ( H2O) Perspex – Plexiglas Aire Fundición (Fe-C )

Z = 45 x 10 6 Z = 17 x 10 6 Z = 1,5 x10 6 Z = 3,2 x 10 6 Z = 0,000398 x10 6 Z = 25 - 40 x 10 6

[Kg/m²seg] [Kg/m²seg] [Kg/m²seg] [Kg/m²seg] [Kg/m²seg] [Kg/m²seg]

No tienen impedancia acústica la Sal de Rochela corte 45° Y - y el agua de mar.

CAC- JMG

Pagina 12de 67

GEND

2.

Curso Ultrasonido NIVEL I

MODOS DE VIBRACIÓN

Según la relación entre la dirección de oscilación de la partícula y la dirección de propagación de la oscilación, se originarán distintos tipos de Modos de Vibración. • Ondas Longitudinales (OL) • Ondas Transversales (OT) • Ondas Superficiales (OS) • Ondas de Lamb. 2.1

ONDA LONGITUDINAL (OL):

"Las oscilaciones de las partículas ocurren en la dirección de propagación de la onda" Son Onda de presión ó compresión u Onda de Densidad

Son llamadas ondas de compresión dado que origina zonas de compresión y descompresión con respecto a la presión normal.

Es una onda de carácter audible, transmite las oscilaciones a través del aire, también los líquidos 2.2 ONDA TRANSVERSAL (OT): "La oscilación de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación de la onda ultrasónica" Dado que los esfuerzos presentes tienden a deslizar los planos de partículas entre sí también se las llama onda de corte y se transmiten en cuerpos sólidos

CAC- JMG

Pagina 13de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Gases y líquidos son incapaces de ofrecer resistencia al deslizamiento transversal; cuyo módulo de elasticidad transversal G=0. Salvo líquidos viscosos que tienen módulo complejo de elasticidad transversal

• • •

La longitud de onda está dada por la distancia entre dos puntos consecutivos que han alcanzado su máximo alejamiento de la posición de equilibrio. Se obtiene ondas transversales cuando el haz sónico incide en el material con un cierto ángulo. La presión acústica: es la fuerza en ángulo recto por unidad de superficie, para onda longitudinal OL):

Para onda transversal, fuerza cortante es la fuerza por unidad de superficie paralela a ella. La única diferencia es la dirección, para medios ilimitados sin contornos. La presión acústica y el movimiento de partículas no están en fase, sino desfasadas un cuarto de período. 2.3 ONDA DE SUPERFICIE (RAYLEIGH) "Se propaga en la periferia plana o curva de un sólido" La deformación no es sinuosidad (Ej: ondas en agua por acción de fuerzas gravitacionales); la propagación de oscilación es elíptica. • A una longitud de onda las partículas están casi en reposo, dentro del material. • Se la considera como un tipo especial de onda transversal.

CAC- JMG

Pagina 14de 67

GEND •

Curso Ultrasonido NIVEL I

•

La velocidad de propagación (c) es independiente de la frecuencia es una C constante del material, como en ondas longitudinales y transversales. Sólo puede variar por el estado de tensión de la superficie: En tracción aumenta la velocidad C En compresión disminuye la velocidad C

•

La oscilación de las partículas son normales a la dirección de propagación".

•

Se obtiene el ángulo de Incidencia del haz ultrasónico sobre el material tiene aproximadamente el 2do ángulo crítico de refracción

2.4

ONDAS LAMB: (ONDAS DE CHAPA)

Se producen cuando el espesor de la lámina o hilos delgados del elemento a inspeccionar es del orden de la longitud de onda, es decir vibran en conjunto". Las partículas oscilan en ángulo recto a la superficie. (Presentan componentes de oscilación de partículas en ángulo recto a superficie) Es posible infinitos modos de vibración, pero son conocidas 2 fundamentales: 1)- Onda Simétrica ó dilatación. 2)- Onda Asimétrica o de flexión.

CAC- JMG

Pagina 15de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

3.5 VELOCIDAD DE LA ONDAS ACÚSTICAS Se puede calcular la velocidad de cualquier tipo de onda a partir de las siguientes constantes elásticas del material: •

• •

E = módulo de elasticidad [N/m²]

1 Kp/mm² = 0,98 107 N/m²

µ = Relación de poisson [a dimensional] G = Módulo de Elasticidad transversal

Onda Longitudinal: CL =

E (1 − µ) = [m / seg] en caso de piezas de poco δ(1 + µ)(1 − 2µ)

diámetro: C L =

Ondas Simetricas

E = [m / seg] δ

Ondas Transversal: Ondas G E = = [m / seg] CT = = [m / seg] en caso de piezas de poco diámetro: CT Asimetricas δ. δ.2.(1 + µ) Ondas de Superficie (OS) según fórmula aproximada de Bergmann CS =

0.87 + 1.12µ E 1+ µ δ.2.(1 + µ)

como µ (acero) = 0.28

µ (aluminio) =0.34

CT/CL= 0.55 ( acero) CT/CL= 0.49 ( aluminio) Ondas Lamb : Dependen del producto el espesor de material y la frecuencia, además de las constantes elásticas del material. Para ello se utilizan gráficos (Krautkramer o Firestone) Tienen comportamiento de onda transversal en zona muerta En medios limitados son conocidas como ondas de barra. Puede producirse ondas de torsión, dilatación, flexión, radiales. "La velocidad (c) de propagación no es constante del material, depende de: • Espesor • Frecuencia • Modo y tipo de onda

CAC- JMG

Pagina 16de 67

GEND

3.

Curso Ultrasonido NIVEL I

MODOS DE VIBRACION

La propagación de una onda acústica, en cualquier material que presenta superficies límites ó contornos (cuerpo), sufrirá una alteración. Consideramos superficie límite a aquella que separa dos medios, con propiedades elásticas diferentes (diferentes velocidades de propagación). Si un frente de onda alcanza una superficie límite entre dos medios ‚esta será reflejada, transmitida ó refractada en forma parcial o total. 3.1 REFLEXIÓN Si una onda incide en forma Normal a una superficie plana y suave (especular), que separa dos medios diferentes, una parte de la energía de la onda se refleja y vuelve en la misma dirección y la otra parte pasa al otro medio manteniendo su dirección y sentido.

La proporción de onda transmitida y reflejada dependerá de la Impedancia acústica Z de los medios. Medio 1 Z1 = ρ.C1 Medio 2 Z2 = ρ.C2 Poniendo en juego la intensidad acústica (I) de la onda ultrasónica incidente podremos calcular la cantidad de energía que es reflejada multiplicando la intensidad acústica por el coeficiente de reflexión (r), como también conocer la energía transmitida al segundo medio, multiplicando la intensidad acústica por el coeficiente de transmisión (T). Ambos coeficientes son a dimensionales y se expresan en %, como relación a la Intensidad de la onda incidente, Coeficiente de Reflexión = R = Ir / Ii Coeficiente de Transmisión = T = It / Ii donde:

Ii = Intensidad acústica incidente Ir =Intensidad acústica reflejada It =Intensidad acústica transmitida

El balance de energía puesto en juego estará dado por la siguiente expresión: Ii = Ir + It donde la relación de coeficientes será: R+T=1

CAC- JMG

Pagina 17de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

A través de la teoría de la propagación de ondas acústicas, se obtienen, los valores de los coeficientes según las impedancias acústicas de la manera siguiente: 2 ( Z2 − Z1 ) R= , y el coefiente de (Z2 + Z1 )2

T=

4 Z1Z2 (Z2 + Z1 )2

Estas relaciones son según las Intensidades acústicas, donde se observa que no interesa de que lado incide el haz sónico, pues no cambian los valores de los coeficientes en la perturbación de Z1 y Z2.En la técnica de pulso-eco, que se emplea comúnmente en el ensayo de materiales, es de interés conocer la amplitud de la presión acústica reflejada (PT) que es la que determina la altura de eco de la indicación de un reflector. Teniendo en cuenta el razonamiento anterior, podemos ahora determinar los porcentajes de presión acústica.

Relaciones según Presión acústica serán: P Z − Z1 R' = r = 2 Pi Z 2 + Z 1

T' =

PT Pi

=

2Z 2 Z 2 + Z1

Relaciones según Intensidad acústica serán (Z − Z1 )2 , y el coefiente de T = 4Z1Z2 R= 2 (Z2 + Z1 )2 (Z2 + Z1 )2 En ondas transversales para superficies límites Sólido -Sólido. Dado que la altura de la Indicación del eco en pantalla de TRC depende de la presión acústica, se utilizan los coeficientes de Reflexión (R') y Transmisión (T') de la presión acústica.

CAC- JMG

Pagina 18de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Si una onda incide oblicuamente en una superficie que limita dos medios, se producen ondas reflejadas y refractadas. El ángulo de refracción (ó transmisión) depende del ángulo de incidencia y de las velocidades acústicas de los medios. También en la incidencia oblicua puede ocurrir transformación de onda (de Oi a Ot y viceversa), como así desdoblamiento de la onda reflejada y transmitida.

De una onda long.incidente se obtiene 4 ondas cuando los medios son sólidos En este caso la onda incidente transversal esta polarizada en el plano incidente. Caso contrario el desdoblamiento es más completo. Las ondas transversales, resultantes se encuentran polarizadas en el plano incidente, es decir la dirección en que vibran sus elementos materiales están en el mismo plano que forma la dirección de propagación de la onda incidente con la normal a la superficie. 3.2 LEY DE SNELL

CAC- JMG

Pagina 19de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Sen (α1 ) C1 = Sen (α 2 ) C 2 Si la onda incidente y reflejada son del mismo tipo, forman el mismo ángulo. Con la normal a la superficie. Ej. Dado que la velocidad de las ondas transversales es menor que las longitudinales; los ángulos de reflexión o refracción de las ondas longitudinales es mayor que las transversales αrL > αrT αtL > αtT En líquidos o en gases no se transmite OT por lo tanto el proceso es más simple. 3.3 PRIMER ANGULO CRÍTICO 1er ángulo crítico :En cuerpos sólidos se hace desaparecer la OL refractada en el medio 2 quedando OT solamente.

Perspex / Acero 25,6° 1er ángulo crítico 61° 2do ángulo crítico

Ej.

sen αiL = (CL1 / CL2). sen 90°

1er ángulo crítico

3.4 SEGUNDO ANGULO CRÍTICO Utilizado para obtener ondas de superficie, donde se obtienen la máxima transmisión con ángulos de incidencia ligeramente mayor que el ángulo crítico.

Ej.

Perspex / Acero 61°

2do ángulo crítico

sen αi L = (CL1 / CT2) sen 90°

2do ángulo crítico

En el medio 1 se puede obtener una transformación completa en la reflexión de OL -> OT ó OT -> OL para lo cual se debe cumplir αi L + α tT = 90° y αi T + α rL = 90°

CAC- JMG

Pagina 20de 67

GEND

4.

Curso Ultrasonido NIVEL I

PERFIL DEL HAZ SONICO

Para la realización del ensayo por ultrasonido el conveniente tener noción de la forma del haz ultrasónico que se está transmitiendo a la pieza que se desea inspeccionar, es decir, conocer si dicho haz tiene una forma estrecha y concreta, o si es muy divergente. El conocimiento de éstas características del perfil del haz sonoro, van a tener influencia en la sensibilidad del ensayo. 4.1 ZONA MUERTA Se define como zona muerta de un palpador que genera un haz ultrasónico para el ensayo de materiales, a la distancia de la base de tiempo del equipo ocupada por la señal de emisión, dentro de esta zona no será posible detectar discontinuidades. El ancho de la zona muerta, es función de la duración del impulso de excitación del cristal. En la Fig. 5.1, se observa la ubicación de la zona muerta de un palpador en la pantalla del equipo.

4.2 CAMPO CERCANO Y CAMPO LEJANO A continuación analizaremos las características del campo ultrasónico de un oscilador en forma de disco, el cual puede ser considerado, en la formación del haz ultrasónico, como un conjunto de numerosos cristales elementales, que excitados simultaneamente, cada uno contribuye a la formación del haz. En la Fig. 5.2 A se muestra la intensidad de la presión a lo largo del eje del haz en función de distancia del emisor. • z = distancia en el material • p = presión en unidad arbitraria • N = extremo del campo cercano

CAC- JMG

Pagina 21de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Como se ve, se pueden distinguir claramente dos zonas en el recorrido del haz sónico. Una próxima al cristal emisor, llamada campo cercano, en la cual hay grandes variaciones de presión máximas y mínimas. En consecuencia podemos decir que la distancia en que la presión sonora tiene un valor máximo final y comienza a decrecer en forma uniforme se define como campo lejano N, que es función del diámetro del cristal y de la longitud de onda Lambda. D2 N= D = diámetro del cristal , N =Longitud de Campo Cercano, λ = Longitud de onda 4.λ Dentro del campo cercano, no es posible dimensionar un defecto, debido a las grandes variaciones de la presión acústica. Al campo cercano, le sigue el de transición, donde la presión decrece en forma continua con el recorrido, y a partir de allí el haz adquiere una forma de tronco cónica divergente, donde recién en el campo lejano la presión acústica decrece inversamente con la distancia desde el centro hacia los bordes, con lo cual, se puede definir el campo lejano, a la zona continua al campo cercano donde a causa de la divergencia el haz comienza a abrirse. Prácticamente se puede representar el campo sonoro en forma simplificada, mostrando el campo de transición y lejano, por un tronco de cono formado por rayos marginales de una determinada presión con respecto al rayo principal del oscilador. En la Fig. 5.2 B se observa la manera simplificada de representar la forma del campo sonoro en un oscilador.

CAC- JMG

Pagina 22de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I Figura 5.2B

N = Longitud del campo cercano D = Diámetro del cristal γ = Angulo de divergencia del haz. Dhaz= Diámetro del haz. 4.3 DIVERGENCIA Como se dijo anteriormente, a partir del final del campo cercano, el haz adquiere un forma de tronco de cono divergente con disminución de la presión gradualmente con la distancia. La divergencia del haz se describe por el ángulo de divergencia (Ver Fig. 5.2. B) formado por el rayo principal (máxima presión) y el rayo marginal. Generalmente este ángulo de divergencia está referido con respecto a un rayo marginal de una determinada presión acústica, y se lo puede calcular mediante las siguiente formula:

sen ( γ ) = 1.22

λ D

El ángulo de divergencia, junto con el valor del campo cercano, caracterizan al haz ultrasónico.

CAC- JMG

Pagina 23de 67

GEND

5-

Curso Ultrasonido NIVEL I

FENOMENOS DE ATENUACION

En los materiales sólidos, se da lugar a un efecto más o menos pronunciado de atenuación del ultrasonido debido a dos causas fundamentales: la dispersión y la absorción. Es decir la suma de los efectos de absorción y dispersión da por resultado las pérdidas por amortiguamiento, resultante de la interacción del onda sonora y el material. Otro motivo de la atenuación del haz, es que al divergen, la intensidad del mismo o sea la presión ultrasonora disminuye en razón inversa al cuadrado de la distancia, medida al punto de entrada del haz de ultrasonido en el material considerado. 5.1 ABSORCION La absorción es una conversión directa de la energía ultrasónica en calor Esta pérdida de energía se asemeja a una acción de frenado de la oscilación de las partículas, lo cual explica también porque una oscilación rápida pierde más energía que una oscilación lenta. La absorción aumenta generalmente con la frecuencia. Podemos decir también que la absorción pura debilita la energía transmitida a la amplitud del eco, tanto de la heterogeneidad como de la pared de fondo. Este efecto puede ser corregido en un ensayo por ultrasonido, con el empleo de frecuencias bajas. 5.2 DISPERSION Las pérdidas por dispersión son debidas principalmente a la falta de homogeneidad de los materiales, a sus características anisótropicas y a la relación existente entre el tamaño de grano del material y la longitud de onda. Cuando el tamaño de grano es del orden de λ/10, o mayor, las pérdidas por dispersión alcanzarían valores importante, provocando paralelamente innumerables señales de ecos que originan "ruido" o "pasto" en la pantalla del equipo llegando a niveles que hacen imposible identificar una señal de defecto. 5.3 MEDIDA DE LA ATENUACION La atenuación es medida en términos de la energía perdida por unidad de longitud es decir en Decibeles /metros y estos valores oscilan entre 10 dB/m para aluminio hasta 100dB/m para algunas fundiciones, plásticos o concreto. La atenuación es altamente dependiente de la frecuencia utilizada, la naturaleza de los materiales que se esta inspeccionando, las condiciones de contorno y de la forma de onda ( plana u otras). Naturaleza del Material

Atenuación [dB/m]

Acero Normalizado

Aluminio 6061 T6511 Acero Inoxidable 3XX Plástico Para una frecuencia de 2.25 MHz -

CAC- JMG

Causa principal de atenuación

70 Dispersión 90 Dispersión 110 Dispersión / Re-dirección 380 Absorción onda longitudinal

Pagina 24de 67

GEND

6.

Curso Ultrasonido NIVEL I

GENERACION DE ONDAS ULTRASONICAS

Para la generación y recepción de las ondas de ultrasonido, se puede recurrir a diversos fenómenos físicos, de los cuales dos son los más utilizados en los ensayos no destructivos de materiales son. • Efecto piezoeléctrico • Efecto magnetoestrictivo 6.1 EFECTO PIEZOELECTRICO El fenómeno piezoeléctrico fue descubierto en el año 1880 por los hermanos Curie . Esta cualidad de ciertos materiales, básicamente consiste en la habilidad de transformar energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Es decir que si un material piezoeléctrico se deforma mediante una presión mecánica externa, aparecen unas cargas eléctricas en su superficie. El fenómeno inverso consiste en que si este material se coloca entre dos electrodos, cambia su forma si se le aplica un potencial eléctrico. Al primer efecto explicado, se lo denomina efecto piezoeléctrico directo y se lo aplica para medir presiones, deformaciones y oscilaciones, que para el ensayo no destructivo de materiales es utilizado como receptor del ultrasonido. Al segundo fenómeno, se lo conoce como efecto piezoeléctrico recíproco, el cual se aplica para generar presiones, deformaciones y oscilaciones, por lo que se lo emplea para emitir ondas de ultrasonido. El efecto piezoeléctrico, es el más utilizado para hacer ondas ultrasónicas de frecuencia superior a los 100 Khz, ya que con cris-tales pequeños de pocos milímetros de espesor se logran dichas frecuencias y campos ultrasónicos adecuados para la ejecución de ensayos no destructivos en la mayoría de los materiales. El otro fenómeno físico para la generación de ondas de ultrasonido, como ya se dijo es el efecto magnetoestrictivo, este efecto al igual que piezoeléctrico, es la capacidad de ciertos materiales para cambiar su forma bajo la influencia de un campo magnético. El efecto magnetoestrictivo es también recíproco, de manera que es idóneo tanto para la generación como para la recepción de ondas ultrasónicas. 6.2 CRISTAL DE CUARZO El efecto piezoeléctrico se presenta en muchos materiales, pero el más antiguo de los utilizados para la generación de ondas ultrasónicas es el cuarzo. En la Fig. 7.2 se representan las posiciones de los ejes de un cristal de cuarzo natural.

Corte Longitudinal Corte Transversal

Los cristales de cuarzo se encuentran en la naturaleza generalmente en forma de prisma hexagonal con una pirámide en cada extremo, aunque pueden presentar otras formas diferentes a la mencionada.

CAC- JMG

Pagina 25de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Al eje "Z" se lo llama, eje óptico, al eje "X" se lo denomina eje eléctrico y al eje "Y" se lo conoce como eje mecánico. Por consiguiente se puede decir que de acuerdo al tipo de corte que se le practique al cristal de cuarzo natural, se obtendrán cristales piezoeléctricos de corte en X ó en Y, lo que se traducirá en definitiva en la generación de distintos tipos de onda. Las características fundamentales del cristal de cuarzo son que es muy duro y resiste al desgaste, es térmica y eléctricamente estable, y es insoluble en muchos líquidos. Como limitaciones a su uso se puede decir que tiene un módulo piezoeléctrico bajo, lo que califica como mal emisor. 6.3 MATERIALES FERROELECTRICOS Algunas pastillas de materiales cerámicos, como el titanato de bario, el zirconato de plomo y el metaniobato de plomo, oportunamente polarizados con una tensión continua y luego sometidos a un campo eléctrico, se comportan análogamente a los materiales piezo - eléctricos: vibran mecánicamente con frecuencia propia, dependiendo de su composición y del espesor. Este comportamiento debido a la presencia de cargas orientables con un campo eléctrico externo se llama ferroelectricidad, por el similar comportamiento de los materiales ferromagnéticos expuestos a un campo magnético. Estos tipos de pastillas son utilizados también en la fabricación de los palpadores para generar ondas ultrasonicas para la realización de ensayos no destructivos de materiales. Estos cristales cerámicos, se obtienen por sinterización, son de color blanco amarillento y poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo. El titanato de bario posee un módulo piezoeléctrico elevado, lo que lo califica como buen emisor, tiene resistencia mecánica baja y por su frecuencia característica baja, está limitado su empleo para frecuencias por debajo del 15 MHz. El metaniobato de plomo posee también un módulo piezoeléctrico elevado, lo que lo califica como buen emisor, y al igual que el cuarzo presenta estabilidad térmica, siendo indicado para ensayos a temperatura, su empleo está limitado para la realización de ensayos a frecuencias altas. El sulfato de litio, también se utiliza para la generación de ondas de ultrasonido, se lo obtiene por cristalización. Las ventajas principales de los cristales de sulfato de litio residen en su facilidad de proporcionar una amortización acústica óptima, mejorando el poder de resolución y de poseer un módulo piezoel‚ctrico medio lo que lo califica como buen receptor.

CAC- JMG

Pagina 26de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

7CONSTRUCCION DE PALPADORES Los palpadores constituyen una de las unidades básicas del equipo de ultrasonido y se debe considerar para integrante del mismo, ya que de este conjunto dependerán las características y cualidades del haz que se van a transmitir al material que se desea ensayar. Por supuesto, el oscilador o cristal constituye el elemento clave del palpador, cuyo diseño es importante, pero no menos importante son el resto de los elementos constitutivos del palpador para modificar las características emisoras y receptoras del oscilador. Debido a la diversidad de técnicas de ensayo que se emplean se dispone de una variedad de tipos de palpadores, que se pueden agrupar en dos grandes grupos:

• Palpadores de contacto • Palpadores de inmersión. Los palpadores de contacto se aplican directamente a la superficie de la pieza a ensayar, interponiendo en medio de acoplamiento entre ambos. Según la dirección de propagación del haz con respecto a la superficie de la muestra estos palpadores de contacto se clasifican a su vez en palpadores de incidencia normal y en palpadores angulares. En cambio en los palpadores de inmersión la transmisión del ultrasonido desde el palpador a la muestra se efectúa a través de una columna de líquido, generalmente agua, es decir sin contacto directo ni presión ni rozamiento entre el palpador y la superficie de ensayo.

7.1

Palpadores Normales

Se los emplea en los equipos que operan por los métodos de impulso eco, de transparencia y de resonancia, y se aplican a problemas de defectología, metrología y caracterización. La mayoría de estos tipos de palpadores llevan incorporado osciladores diseñados para emitir ondas longitudinales. Según el número de oscilaciones o cristales que llevan incorporado, se consideran los siguientes tipos: • Palpadores de cristal único, emisor y receptor (es decir que el mismo cristal emite y recibe las ondas ultrasónicas emitidas) • Palpadores de cristal doble, uno emisor y otro receptor. • Palpadores de cristal múltiple.

7.1.1

Palpadores de Cristal Único (Emisor - Receptor) En la Fig.8.1 A se observa el esquema de la forma constructiva de un palpador de este tipo. Además del cristal piezoeléctrico (a), consta de una caja o montura metálica (b) que protege el conjunto, el amortiguador (c) del cristal, el cable conductor eléctrico (d) y la conexión (e). El amortiguador es un elemento indispensable en los palpadores empleados en los equipos que operan por el método de pulso eco, su función es reducir el tiempo de oscilación del cristal, absorber las ondas espurias que puedan interrumpir en el oscilograma y soportar mecánicamente el cristal.

CAC- JMG

Pagina 27de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

7.1.2.1 Palpadores De Doble Cristal Emisor Receptor Separados Para evitar los inconvenientes que se presentan con la zona muerta del palpador, donde como ya dijimos no es posible detectar heterogeneidades, es que se han diseñado palpadores con cristal doble, donde uno actúa como emisor de las ondas ultrasónicas y el otro como receptor de las mismas. Su configuración se muestra en la Fig. 8.2 B.

FIGURA 8.2 B

Los cristales están perfectamente aislados eléctrica y acústicamente. Ambos cristales se montan con una cierta inclinación sobre una columna de plástico que produce un efecto focalizador que concentra al haz de sonido para conseguir mayor sensibilidad en la proximidad de la superficie. Mediante este artificio se consigue que por efecto del trayecto previo en plástico, la indicación de la señal de emisión quede muy separada de la indicación del eco del defecto. Mediante el uso de este tipo de palpadores y con equipos adecuados se pueden medir espesores y detectar defectos a partir de una profundidad equivalente a una longitud de onda.

CAC- JMG

Pagina 28de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Otra de las ventajas que ofrecen estos palpadores de cristal doble es la posibilidad de utilizar los cristales más adecuados, como ser uno de titanato de bario que es buen emisor y el otro de sulfato de litio que es buen receptor de las ondas de ultrasonido.

7.1.2 Palpadores De Cristal Múltiple: Están diseñados para cubrir determinadas aplicaciones especiales tales como: • Medida de espesores en varios rangos, simultáneamente, • Examen de superficies curvas • Examen de muestras grandes. - En el primer caso, los palpadores son del tipo E – R, descritos en el apartado anterior, pero modificados en el sentido de incorporar varios cristales emisores y receptores en la misma unidad, con diferentes inclinaciones y frecuencias.

-

En la figura 3.63 ( a ) se representa el esquema de un palpador de cristal múltiple adecuado para el examen de muestras a través de superficies cóncavas. Está constituido por varios cristales dispuestos en mosaicos y montados sobre un adaptador de plástico que hace el efecto de lente, con lo que se consigue un haz prácticamente sin divergencia.

CAC- JMG

Pagina 29de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

El palpador representado en la figura 3.63 (b) reponde a la misma finalidad y resulta apropiado para el examen de tubos, de forma que se evita la formación de ondas superficiales que dificultan la interpretación En la figura 3.63 ( c ) se representa un palpador de cristal múltiple diseñado para el examen de inmersión de muestras grandes. Por su constitución da a lugar a un haz muy ancho, de manera que, en cada recorrido, se puesde explorar una banda de has ta 120 mm de anchura. Con un palpador de este tipo, de 5 MHz de frecuencia, se pueden detectar, en aluminio, heterogeneidades equivalentes a taladros de fondo plano de hasta 1,6 mm de diámetro y con una fluctuación máxima de un 15 % en la altura de la indicación del eco a lo largo de los 120 mm de anchura del haz. 7.3 Palpadores para Ensayos a Alta Temperatura: Los palpadores convencionales no se pueden emplear a temperaturas fuera del intervalo comprendido entre – 20 y + 80ºC, debido a que los adhesivos convencionales, empleados para unir el cristal al amortiguador, se pueden dañar y anular el efecto de este último. El propio cristal se puede afectar con la temperatura, especialmente si es de sulfato litio o de titanato de bario, con los puntos de Curie de 75 y 115ºC, respectivamente. Para ensayos a temperaturas elevadas,es preciso utilizar cuarzo o metaniobato de plomo, cuyos puntos de Curie están por encima de los 500ºC. Como amortiguador y adhesivo se utilizan resinas de moldeo capaces de soportar temperaturas de hasta 350ºC. A temperaturas superiores reulta muy difícil conseguir una amortiguación adecuada, por lo que es preciso interponer entre el palpador y la muestra de ensayo un adaptador que pueda ser refrigerado. Los palpadores tipo E – R especialmente diseñados para medida de espesores a alta temperatura, requieren un medio de acoplamiento especial. Se deben aplicar sobre la superficie de ensayo durante breves fracciones de segundos, lo suficiente para obtener una lectura en el equipo de medida, refrigerándolos adecuadamente en tre dos medidas consecutivas.

7.4 Palpadores Angulares de Ondas Longitudinales y de Ondas Transversales. Ya fueron estudiados las leyes que rigen la refracción de las ondas ultrasónicas al incidir angularmente en una superficie límite entre dos medios 1 y 2 ademas quedó establecido, que una onda longitudinal con incidencia angular sufre un desdoblamiento, que da lugar a que en el medio 2 se propaguen, simultáneamente, una onda longitudinal y otra transversal.. Por ejemplo, en el caso de una superficie límite agua – aluminio ( ensayo por inmersión), si el ángulo de la onda longitudinal incidente se mantiene en valores inferiores a 13,56º, se propagarán en la muestra de aluminio ondas longitudinales oblicuas cuya presión acústica decrecerá a medida que aumenta el ángulo de incidencia. Existe, por tanto, la posibilidad de ensayo de los materiales mediante ondas longitudinales oblicuas, si bien esta técnica tiene una aplicación más restringida, pero completaria a la de las ondas transversales. Los palpadores angulares de contacto consisten, en esencia, en un oscilador de ondas longitudinales, aplicado a una de las caras de un prisma de plástico ( generalmente de perspex ), tallado con un ángulo de refracción o de penetración que se desea para un material dado de la muestra de ensayo.

CAC- JMG

Pagina 30de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

El diseño del prisma es sencillo y, a título de ejemplo, describiremos el correspondiente a los palpadores angulares de ondas transversales por ser de empleo más extendido. a) Angulos de Incidencia y de Refracción: De las leyes de refracción, se deduce que siempre que CL1 ≤ CL2 y CT1 ≤ CL2 , existe un ángulo de incidencia limite por encima del cual dejan de coexistir los dos diferentes modos de onda en el medio 2, quedando sólo la onda transversal. En

efecto, en el caso de una superficie límite agua – aluminio ( ensayo por inmersión ), ese ángulo de 13,56º, para cuyo valor la transmitancia del eco de la onda longitudinal es nula, A) Elementos del Palpador: Se representan en la figura 3.64. El cristal piezoeléctrico ( 1 ) se monta sobre un prisma de plástico ( 2 ) por intermedio de una capa muy fina de adhesivo. En general, no se utiliza amortiguador adosado a la cara posterior del cristal, puesto que el efecto del propio prisma de plástico suele ser suficiente para mantener los impulsos cortos y la consiguiente buena resolución del palpador. La sustancia amortiguadora ( 3 ) se utiliza, en estos palpadores, para evitar que las reflexiones internas en el prisma vuelvan al cristal ( método de impluso – eco ). Suele consistir en resinas o caucho vulcanizado a los que se añaden cargas apropiadas ( dióxido de manganeso, corcho, limaduras metálicas, etc ) para elevar su coeficiente de atenuación. Además, se suele recurrir a mecanizar en diente de sierra la superficie del prisma en contacto con el amortiguador ( 3), lo que contribuye a la dispersión de las ondas reflejadas. En ensayos a altos niveles de ganancia, las perturbaciones provocadas por estas reflexiones pueden no llegar a eliminarse totalmente, especialmente cuando existan ondas que vuelvan directamente al cristal como consecuencia de la rugosidad de la superficie de exploración. El conjunto va montado en un protector metálico ( 4 ), provisto de la correspondiente conexión ( 5 ). B) Dimensionado del Prisma:

CAC- JMG

Pagina 31de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Elegido el ángulo de incidencia adecuado al ángulo de refracción o de penetración deseado en la muestra de ensayo, las dimensiones del prisma vendrán dadas, en principio, en función del ángulo de incidencia. Tal como se deduce de la figura 3.64 cuanto mayor sea el ángulo de incidencia, mayor deberá ser la longitud del prisma y su anchura, a fin de que la sección del haz ultrasónico quede inscrita en la car del contacto del prisma con la muestra. También la altura del prisma aumenta por razones puramente geométricas, al tener que mantener constante la superficie donde va adosado el cristal oscilador. En consecuencia, el punto de la cara activa del prisma, donde la presión acústica es máxima, se debe considerar como punto de salida del eje del haz. Este punto se debe determinar cuidadosamente para poder deducir, por ejemplo, la posición de una heterogeneidad, ya que a partir de ese punto se toman las distancias de recorrido del impulso acústico; pero, además, se utiliza para determinar el ángulo real de refracción del palpador. En otro capitulo se describira un procedimiento práctico para determinar ambas características del palpador y la posición de una heterogeneidad detectada mediante un palpador angular. Una vez determinada la posición del punto de salida del eje del haz, se puede marcar en los flancos de la montadura del palpador o, como ocurre en algunos casos, viene señalada ya directamente del constructor. Sin embargo, el uso del palpador, es decir, los posibles desgastes no uniformes de la cara de contacto del prisma, puede hacer que varíe la posición del punto de salida del eje del haz e incluso el ángulo de refracción. Si el desvío respecto a las condiciones originales es grande, será preciso modificar la posición de la señal de referencia o, incluso, proceder a la reparación del palpador mediante un suplemento, por ejemplo de perspex, que se adhiere fácilmente a la cara desgastada. C) Materiales de los Prismas: Hemos citado repetidamente el perspex ( metacrilato de metilo ) como material de los prismas. De hecho, es el más utilizado, permite construir prismas que, para muestras de aluminio, tienen una eficacia de hasta el 60 % debido a la pequeña diferencia de impedancias acústicas entre ambos medios. Por esta razón, sería preferible utilizar prismas de plomo para el examen de muestras de acero, pero la capa líquida necesaria para asegurar el contacto acústico entre la muestra y el palpador, hace que esta ventaja se anule prácticamente. Se han intentado otras soluciones, como mezclas de plásticos con cargas metálicas o láminas alternadas de resina epoxi y metales. Sin embargo, estas posibles mejoras no han encontrado, hasta el momento, aplicación práctica por problemas de costos o de uniformidad en la fabricación de palpadores con estos prismas. Con resultados muy similares al perspex, se puede utilizar el Acrilico. Ambos materiales dan resultados satisfactorios en aluminio y acero. Sin embargo, si se trata de ensayos sobre muestras de cobre o de fundición gris, no es posible cubrir, con los plásticos citados, la gama de ángulos de refracción hasta 90º. Por ejemplo: un palpador con prisma de perspex de 80º de ángulo de refracción para acero, si se emplea sobre muestras de cobre dará lugar a la propagación de una onda transversal a sólo 41º; si el palpador proporciona un ángulo de refracción en acero de 35º, el ángulo de refracción en cobre será de 23º y, además, con la onda transversal se propagará simultáneamente una longitudinal a 57º, con la consiguiente dificultad de interpretación del oscilograma.

CAC- JMG

Pagina 32de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

En estos casos se recurre a prismas cuyo material presente una velocidad de las ondas longitudinales menor que en el perspex, tal como el plomo, ciertos tipos de nylon o caucho blando. Los primeros palpadores angulares eran de gran tamaño, llegando a dimensiones de 30 x 60 x 40 mm, con cristales de cuarzo rectangulares de 20 x 22 mm. Teniendo en cuenta que el cuarzo se califica como mal emisor, estos palpadores estaban limitados hasta frecuencias del orden de 2 MHz, debido a la fuerte absorción del material del prisma. Con la introducción de osciladores de titanato de bario, se mejoró el poder de emisión de estos palpadores pero en detrimento de su poder de resolución. Actualmente, se ha logrado reducir el tamaño de los palpadores angulares a dimensiones del orden de 6 x 12 mm de la superficie activa del prisma, lo que permite operar con frecuencias de hasta 5 MHz. Estos palpadores miniatura han supuesto una gran aportación para la mejora de las técnicas operatorias aplicadas a las uniones soldadas y a las revisiones de mantenimiento . Los palpadores angulares de contacto se emplean, preferentemente, en los equipos de impulso – eco y, ocasionalmente, por transparencia y se aplican, casi exclusivamente, a problemas de defectología. 7.5 Palpadores de Ondas de Superficie. Para generar ondas de superficie se recurre, principalmente a palpadores angulares de contacto, cuyo ángulo de incidencia se calcula de forma que sea ligeramente mayor que el ángulo límite de las ondas transversales en el material de ensayo Las características de diseño descritas en el apartado anterior, sobre los palpadores angulares de ondas longitudinales y de ondas transversales, son válidas en toda su extensión para estos palpadores angulares de ondas de superficie. También se pueden generar con un palpador de contacto, de incidencia normal, con cristal de cuarzo de corte en Y, empleando un líquido como medio de acoplamiento, o con un palpador plano de incidencia normal, con contacto en una generatriz de una muestra cilíndrica ( contacto rectilíneo ), con oscilador de ondas longitudinales, pero sin medio de acoplamiento, si bien ambos procedimientos son poco empleados en la práctica. En capitulo anteriores analizamos las características y propagación de este modo o tipo de onda, describimos otras propiedades de estas ondas y sus posibilidades de aplicación a la detección de heterogeneidades superficiales en los materiales.

7.6 Palpadores Angulares de Incidencia Variable (de ondas de Lamb ). Permiten variar el ángulo de incidencia de forma continua, para lo cual se recurre a diversos tipos de ensambles o uniones en rótula, plana, cilíndrica o esférica, tal como las indicadas en los esquemas de la figura 3.65. Las dos partes de la rótula son del mismo material y, entre ambas, se intercala una capa fina de aceite mineral u otro líquido adecuado para crear un < contacto acústico > lo más perfecto posible. Para asegurar la persistencia de esta capa, se suele encerrar el palpador en una envoltura estanca rellena de dicho líquido.

CAC- JMG

Pagina 33de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Como ambas partes son del mismo material y la capa de contacto de la rótula muy delgada, no se produce apenas refracción de las ondas ultrasónicas a su paso por esta superficie límite, no aherándose, pues, el modo y la dirección de las mismas. Todo lo expuesto anteriormente para los palpadores angulares de incidencia fija es válido también aquí. Un palpador de incidencia variable tiene, en principio, mayor campo de aplicación que uno de incidencia fija. No obstante, requiere montajes especiales para mantener fija la incidencia que resulte adecuada para un ensayo y su construcción es también más complicada y costosa, ya que el contacto entre ambas partes de la rótula debe ser lo más perfecto posible a fin de evitar pérdidas mayores de presión acústica (19). Su utilidad principal radica en la posibilidad de generar ondas de Lamb, de chapa o de barra, tubos de pared delgada, varillas y alambres, es decir, en muestras con superficies paralelas, cilíndricas o prismáticas de espesor fino. En otro capitulo analizamos las características y propagación de estas ondas, que hacen que todo el espesor de la muestra participe en la vibración según un estado de resonancia, con una velocidad de propagación que es función del espesor de la muestra, de la naturaleza del material, de la frecuencia de excitación y del modo y tipo de onda. Si en un palpador angular de incidencia variable, se ajusta el ángulo de incidencia de forma que la velocidad de fase de la onda longitudinal incidente sea igual a la velocidad de fase de un tipo y modo particular de onda de Lamb en la muestra, se producirá dicho estado de resonancia. Este ángulo será, pues, función del espesor de la muestra, de la frecuencia de excitación y de la velocidad de propagación. Este estado se produce tanto para una excitación continua como para una excitación por impulsos. 7.6.1 Palpadores de Inmersión. Los ensayos por inmersión, bien sumergiendo la muestra en un tanque o mediante el empleo de

CAC- JMG

Pagina 34de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

palpadores de inmersión local, son particularmente indicados cuando se precisa realizar exploraciones de gran volumen y extensión, examinar lotes de gran número de muestras o muestras de formas relativamente complejas. Como la transmisión de los ultrasonidos desde el palpador a la muestra, se efectúa a través de una columna de líquido, es decir, sin contacto directo, presión ni rozamiento entre el palpador y la muestra, esto permite: a) Eliminar los riesgos de rotura y desgaste del cristal oscilador, por lo que no se precisa el empleo de suela protectora. b) Emplear frecuencias más elevadas ( cristales de espesor más fino ) que las posibles con los palpadores de contacto, ya que el riesgo de rotura de los cristales es mínimo. c) Propagar el haz ultrasónico en la muestra con el ángulo de penetración deseado, bien como ondas longitudinales o como ondas transversales, pudiéndose variar la inclinación del palpador con relación a la superficie de la muestra ( ángulo de incidencia ) de forma continua. d) Aumentar la velocidad del ensayo, al no haber contacto o rozamiento, por lo que los ensayos por inmersión están especialmente indicados para ensayos automáticos Además de las ventajas señaladas, se añade también su adaptación más fácil o mejor acoplamiento, tales como muestras prenadas, estampadas o forjadas Entre las limitaciones hay que recordar los efectos de la rugosidad de la superficie de la muestra y el de la curvatura de superficies convexas que se pueden compensar, en parte, con el empleo de palpadores focalizantes. Los palpadores de inmersión se emplean en los equipos que operan por los métodos de impulso – eco, de transparencia y de resonancia y se aplican, preferentemente, a problemas de defectología y metrología. Ahora bien, dada su posibilidad de operar a frecuencias mucho más elevadas que los palpadores de contacto, su aplicación a problemas de caracterización es también muy indicada. No cabe hacer la disrinción entre palpadores de incidencia normal y de incidencia angular, ya que ambas se logran, naturalmente, con un mismo palpador de inmersión. Ya discutimos la posibilidad de propagar ondas longitudinales o transversales, con el ángulo de penetración deseado, en el caso de superficies límites agua – aluminio y agua – acero y los márgenes óptimos de ángulos de incidencia para ambos tipos de ondas. En las tablas 3.IX y 3.X se proporcionan los ángulos de refracción de las ondas longitudinales y de las ondas transversales, respectivamente, en materiales tales como aceros débilmente aleados, aceros inoxidables, aluminio, aleación de aluminio, magnesio, titanio y superaleación base níquel ( tipo inconel o nimonic ) y que se obtienen con los ángulos de incidencia en el agua allí indicados. Con los ángulos de incidencia ligeramente superiores a los ángulos límites de las ondas transversales, se obtienen ondas de superficie, las cuales sufren una atenuación fuerte si la muestra está sumergida. Igualmente, se pueden obtener ondas de Lamb, de chapa, de barra, etc., las cuales sufren también una atenuación fuerte, pero, en ambos casos, esto se puede subsanar empleando palpadores de inmersión local, dispuestos de manera que el líquido de acoplamiento no se extienda sobre la superficie de explración, figura 3.66 ( c ).

CAC- JMG

Pagina 35de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

El diseño de un palpador de inmersión es similar al de un palpador de contacto de incidencia normal. Ahora bien, una de las cualidades que se cuidan es su total estanquidad. No precisan de suela protectora, pero, dado que se diseñan para frecuencias generalmente elevadas ( de hasta 25 MHz, para problemas de defectología y metrología ), suelen acompañarse de una funda protectora, de la que se prescinde en el momento de su aplicación. Al igual que en la técnica de contacto, se emplean palpadores de cristal único, emisor y receptor, tipo E + R; palpadores de doble cristal, uno emisor y el otro recptor, tipo E –R, en menor extensión, palpadores de cristal múltiple. Peroen esta técnica de inmersión, se aplican con frecuencia los palpadores focalizantes, principalmente en ensayos que requieran obtener mayor sensibilidad y poder de resolución a una profundidad determinada de la muestra

7.8 RESOLUCION – SENSIBILIDAD Las características del palpador que se utilice para el ensayo es de fundamental importancia, es decir que es necesario conocerle la longitud del campo cercano, divergencia el haz, penetración, sensibilidad y poder de resolución, como también es necesario la frecuencia de oscilación del cristal. Con respecto a la frecuencia, dada su relación con la longitud de onda, su influencia será decisiva en cuanto a la detectabilidad de heterogeneidades pequeñas. Por otra parte si para alcanzar niveles altos de poder de resolución se utilizan frecuencias de ensayo elevadas, se corre el riesgo que al aumentar excesivamente el coeficiente de atenuación se pierda poder de penetración del haz sónico. El diámetro del cristal es otro dato importante en la construcción de un palpador, debido a que junto con la frecuencia determinan la longitud del campo cercano y la divergencia del haz. Si el campo próximo es largo el palpador tendrá buena sensibilidad para pequeñas discontinuidades ubicadas lejos de él. Debido a que en el método de ensayo por pulso eco, que es el más empleado para la realización de ensayos de materiales por ultrasonido, el cristal piezoeléctrico una vez excitado poe el impulso eléctrico que manda el equipo, éste vibra con una frecuencia propia, y tras un intervalo extremadamente corto debe funcionar como receptor, es preciso obtener en el menor tiempo posible la atenuación de las oscilaciones inducidas, pues sino la energía ultrasónica que penetra en la pieza disminuye pronunciadamente, con lo cual la sensibilidad de detección del palpador disminuye . Por consiguiente hay que lograr una solución de compromiso entre la penetración del ultrasonido y la sensibilidad, o que se logra una solución de compromiso entre la penetración del ultrasonido y la sensibilidad, lo que se logra amortiguando adecuadamente el cristal, obteniendo de esta manera pulsos de excitación más estrechos que equivalen a una alta resolución. Con el término resolución se designa la capacidad del palpador para distinguir dos defectos muy próximos entre sí en el oscilograma representado en la pantalla del equipo. El poder de resolución, además de por el tipo de características de amortiguación que tenga el oscilador, está influenciado por la variedad del cristal piezoeléctrico utilizado para su construcción.

CAC- JMG

Pagina 36de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Como conclusión podemos decir que un palpador que tenga un cristal poco atenuado, tendrá una alta potencia y sensibilidad, pero a causa de lo ancho de los pulsos una menor resolución, y con un cristal fuertemente atenuado puede obtenerse una alta resolución, vale decir impulsos estrechos, pero a cambio de una menor potencia de penetración y de una menor sensibilidad. También se puede decir que para lograr resultados óptimos en un ensayo ultrasónico se debe elegir con cuidado el transductor ultrasónico y el equipo que más se adapte a las condiciones del examen a realizar, ya que ambos interconectados forman un conjunto fundamental para los resultados. .

CAC- JMG

Pagina 37de 67

GEND

8-

Curso Ultrasonido NIVEL I

EQUIPO ULTRASONICO

Teniendo en cuenta los parámetros que indican, los equipos de ultrasonido usados en la inspección de materiales pueden ser agrupados en tres categorías. 1Con indicación de energía transmitida (ensayo de transparencia) 2Medidas de espesores (por resonancia) 3Con indicación de la amplitud y del tiempo de tránsito de la energía transmitida o reflejada (pulso-eco) Los equipos del grupo 3 son los de uso más generalizado, principalmente para la localización de defectos. Este tipo de equipos involucran la medición simultánea de dos parámetros: a) La amplitud de señal obtenida de cualquier discontinuidad interna. b) El tiempo empleado por el haz ultrasónico para recorrer la distancia entre la superficie de entrada del mismo y la superficie de la discontinuidad que lo refleja. En la Fig. 9 se observa el circuito básico de un equipo con indicación y amplitud y tiempo de tránsito.

Figura 9

Dentro de este tipo de equipo existen variantes, principalmente en lo referente a la forma de representación de las indicaciones. Estas variaciones son: 1) Equipos con presentación en tubos de rayos catódicos con indicación de posición de defecto y amplitud de la señal de defecto se los llama equipo de barrido tipo A. 2) Equipos con presentación en tubos de rayos catódicos con indicación de profundidad del defecto y distribución de los defectos en el plano transversal de la pieza. Se los denomina equipos de barrido tipo B. 3) Equipos con presentación en tubos de rayos catódicos con indicación de forma y distribución de los defectos en el plano de la inspección. Llamados equipos con representación de barrido tipo C.

CAC-JMG

Pagina :38 de 67

GEND

8.1

Curso Ultrasonido NIVEL I

REPRESENTACION TIPO A - DIAGRAMA DE BLOQUE

Estos tipos de equipos son los más utilizados en la realización de ensayos no destructivos de materiales, donde las indicaciones aparecen como deflexiones verticales de la base de tiempo del equipo. En la Fig. 9.1 A se muestra una pantalla con este tipo de representación.

El circuito esquemático de este tipo de equipo se puede observar en la Fig. 9.1 B . El principio de funcionamiento es el siguiente: Un oscilador (1) es el encargado de activar al generador de sonido (2) y al generador de pulso (3). El oscilador es el que genera la frecuencia de repetición de los pulsos la que puede ser variada por medio de una llave selectora de frecuencia (4). El generador de barrido mediante señal diente de sierra produce la tensión que se aplica a las placas de deflexión horizontal del tubo de rayos catódicos (5). De esta forma el haz de electrones barre la pantalla a velocidad constante que depende de la inclinación del diente de sierra. Cuanto más suave es la pendiente de la rampa del diente de sierra más lento es el desplazamiento del haz sobre la pantalla. Modificando la pendiente se puede entonces seleccionar la velocidad de barrido. Este control en la mayoría de los equipos se efectúa mediante una llave de puntos indicada con "Rango" (6) que efectúa la regulación gruesa. Por ejemplo: una posición equivale al tiempo que el ultrasonido recorre 100 mm en el material y otra posición el tiempo necesario para recorrer 250 mm.

CAC-JMG

Pagina :39 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

En el primer caso el ancho de la escala corresponde a 100 mm y en el segundo a 250 mm. Pero además de este control, que podemos llamar grueso existe un control fino para modificar la velocidad de barrido de acuerdo con las variaciones de la velocidad del ultrasonido en distintos materiales, por esta razón a este control, que es continuo se lo llama "Materiales" (6). El generador de pulsos produce los pulsos eléctricos de muy corta duración y de una tensión de pico de alguno kilovolts que se aplican al cristal piezoeléctrico. En el momento en que el cristal recibe el pulso la señal también es transmitida a las placas de deflexión vertical del tubo de rayos catódicos produciéndose en la pantalla un impulso vertical que se llama "Eco de emisión" y que se toma como origen para interpretar el ensayo. Al ser excitado el cristal vibra mecánicamente con su propia frecuencia originando el haz de ondas ultrasónicas (también en forma de pulso de corta duración) que se transmite a través del material que se ensaya a velocidades constantes. Al llegar a una superficie límite puede ser recibido por otro cristal que actúa como "Detector" o bien reflejarse y volver al mismo cristal que la originó y ahora la detecta actuando en forma pasiva. En ambos casos al recibir el cristal, que actúa como detector, el pulso ultrasónico se produce el fenómeno inverso y la energía mecánica es trasformada en pulso eléctrico. En el generador de pulsos existen dos controles: Uno de energía (7) y otro discriminador (8). La función de ambos es variar la envolvente del pulso. El control de energía actúa variando la tensión del pulso eléctrico que se aplica al cristal mientras que el control discriminador varía la duración del pulso es decir el número de ciclo de la frecuencia seleccionada. En el circuito de la Fig. 9.1 B se indica una llave (9) cuya función es separar eléctricamente la entrada del cristal, de la salida del emisor cuando el equipo funciona con la técnica de transmisión - recepción de dos cristales. El amplificador (10) tiene por función regular la amplitud de la señal recibida desde el cristal receptor antes de aplicarla a las placas de deflexión vertical en el tubo de rayos catódicos. En esta etapa existen generalmente dos controles: El de sensibilidad (11) y el de supresión (12). El primero permite variar la altura de los ecos en la pantalla, es decir variar la sensibilidad de detección de señales. Este control tiene un ajuste grueso por etapas y otro fino, continuo. El control de supresión tiene por función eliminar ecos pequeños, carentes de significación que constituyen una suerte de ruido de fondo y dificultan la interpretación del oscilograma sobre todo en ensayos manuales. El control de sensibilidad no modifica la relación de altura entre los ecos sucesivos que se obtienen por múltiple reflexión, mientras que el supresor si lo hace por cuanto está diseñado para evitar el paso de las señales más decibeles en este caso al aplicar el supresor la diferencia de altura entre los ecos sucesivos se mantiene pero no la relación entre los mismos. El control de sensibilidad suele ser designado en algunos equipos como "Ganancia", y esta indicado en dB.

8.2

REPRESENTACION BARRIDO B

CAC-JMG

Pagina :40 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

La característica de estos equipos es que el generador de barrido está aplicado a las placas de deflexión vertical mientras que la deflexión horizontal está sincronizada con el desplazamiento de la sonda en el plano transversal de la pieza que se examina. Este tipo de presentación permite visualizar la posición y la longitud de los defectos en cada sección transversal examinada, como se observa en la Fig. 8.2 b.

8.3

REPRESENTACION BARRIDO C

En este tipo de equipos el desplazamiento vertical y horizontal del haz electrónico en el tubo de rayos catódicos esta sincronizado con los desplazamientos de la sonda en los ejes X y Y. De esta manera se puede lograr en el tubo de rayos catódicos una imagen de la distribución de defectos en una proyección plana, como se ve en la Fig. 8.2 c.

Figura 8.2

CAC-JMG

Pagina :41 de 67

GEND

9

Curso Ultrasonido NIVEL I

METODOS DE ACOPLAMIENTO

El aire y en general los gases atenúan fuertemente la energía ultrasónica por lo tanto para lograr la transferencia de energía de la sonda a la pieza a examinar es necesario interponer un medio fluido que desplace el aire y realice el llamado acoplamiento acústico.

9.1

INMERSION

El medio de acoplamiento en este tipo de ensayo es el propio líquido que rodea la muestra. Estos ensayos se realizan bien sumergiendo la muestra totalmente en un tanque, o bien produciendo un flujo continuo sobre la misma, lo que será un ensayo por inmersión local, de modo que entre el palpador y la superficie de la muestra quede siempre una columna de ó película de líquido continuo. Generalmente en los ensayos por inmersión el líquido de acoplamiento es agua, a la cual es conveniente agregarle un agente humectante para evitar la formación de burbujas.

9.2

CONTACTO DIRECTO

En la técnica operatoria por contacto directo del palpador sobre la superficie de exploración del material, es preciso intercalar un medio acústicamente conductor, ya que la película fina de aire existente, por perfecto que sea el contacto, impedirá la transmisión de casi la totalidad de la presión acústica incidente.

9.3

SELECCIÓN DEL ACOPLANTE

El mercurio y las amalgamas son los mejores medios de transmisión acústica para su aplicación en muestra metálicas si bien son caras, peligrosa y de aplicación engorrosa por lo que raramente se las emplea. La glicerina es acústicamente muy conductora pero presenta el inconveniente de no mojar bien la superficie. Pese a ello se la emplea con mucha frecuencia en el caso de superficie de exploración con acabado fino. Los medios de acoplamiento generalmente más utilizado son las grasas y los aceites minerales de diversos grados de viscosidad. Cuanto mayor es la rugosidad superficial, mayor debe ser la viscosidad del aceite debido a que la adherencia no es buena en superficies rugosas, al explorar paredes verticales o bóvedas se recurre al empleo de una gelatinosa, de grasa y petróleo o bien una pasta metilcelulósica y agua. Para la realización de ensayos en caliente, se puede emplear aceites de alto punto de ebullición o siliconas.

9.4

CONDICION DE SUPERFICIE - CONFIGURACION

Entre los efectos debido a la condición de la superficie de la exploración hay que distinguir en primer lugar las ocasionadas por la cascarilla de óxido o por los recubrimientos cuya falta de adherencia puede dar lugar a una merma sensible de la transmisión de la presión acústica incidente debido al efecto de la película de aire interpuesta entre la cascarilla o el recubrimiento y el metal base, por lo que es conveniente preparar la superficie de exploración mediante amolado, cepillado, arenado o algún otro medio adecuado a la necesidad. En cuanto a los efectos propios de la rugosidad de la superficie se pueden agrupar de la siguiente manera:

CAC-JMG

Pagina :42 de 67

GEND • • •

Curso Ultrasonido NIVEL I

Disminución de la transmisión de la presión acústica. Aumento del ancho de la zona muerta. Cambio en la dirección del haz y generación de ondas parásitas de superficie.

El estado y acabado superficial de la cara opuesta a la exploración influye sobre la amplitud del eco correspondiente a la reflexión en dicha cara, y a ciertos niveles de rugosidad de dicha superficie, este eco puede ser fuertemente amortiguado, lo cual puede dar lugar a interpretaciones erróneas cuando se trata de determinar el tamaño de un defecto, comparando su indicación con la del eco de fondo. La curvatura de la superficie de exploración produce fenómenos de cambio en la divergencia del haz, o bien aumentándola o disminuyéndola y fenómenos de conversión de ondas que dan lugar a falsas indicaciones. Este fenómeno depende del sentido de la curvatura, (cóncava o convexa) y también de sí el ensayo es realizado por contacto o por inmersión o con incidencia normal o angular. El acoplante ideal surge de la siguiente ecuación ZA = Z1.Z2

Donde Z A = impedancia del acoplante Z1 = impedancia del medio Z2 = impedancia del medio Por lo tanto es conveniente buscar un acoplante con impedancia acústica igual a ZA.

CAC-JMG

Pagina :43 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

10 - BLOQUES DE REFERENCIA Y PATRONES DE CALIBRACION 10.1 BLOQUES DE REFERENCIA En el examen por ultrasonidos, todas las indicaciones de discontinuidades (ecos) son comparados con bloques de referencia. El bloque de referencia es construido con material de la misma pieza que vamos a verificar. Se realiza un ensayo de ultrasonido con palpador normal en el material previo a la construcción del bloque para determinar ausencias de defectos. Caracteriza a los bloques de referencia, que en él se practican agujeros pasantes (agujas transversales) ó de fondo plano, cuyas dimensiones y ubicación esta definida en la norma de referencia del ensayo. De no poseer esta misma se puede adoptar una, en común acuerdo entre fabricante y cliente. Las secciones más comunes en las cuales se construyen son; Cuadradas, rectangulares y cilíndricas con sus caras paralelas. Existen bloques de referencia para materiales bases a ensayar con palpador normal y son conocidos como bloques ALCOA según norma ASTM. En el centro de una superficie se practica un defecto artificial, constituido por un taladro a fondo plano, practicado de una forma precisa. En la Fig.11.1 se observa una sección de un bloque de referencia normalizado. Las dimensiones A, B y C deben tener una gran precisión y el fondo plano del taladro debe ser paralelo a la superficie del bloque.

Si el taladro no es plano o bien no es paralelo a la superficie de examen, el haz se reflejará con un cierto ángulo dándonos una idea errónea de su tamaño, ya que no refleja al transductor toda la energía que le llega. (Fig.11)

CAC-JMG

Pagina :44 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Existen tres tipos muy comunes de bloques de referencia normalizados; estos son: a) Bloques Alcoa Serie A. b) Bloques Alcoa Serie B. c) Bloques ASTM. 10.1.1 BLOQUE ALCOA SERIE A Estos bloques normalizados son del tipo Sección, Amplitud, utilizan defectos de medida diversa, situados a la misma profundidad en un material dado. El grupo lo constituyen 8 (ocho) bloques de una longitud de 3 3/4". Cada bloque tiene un taladro a fondo plano de una profundidad de 3/4" colocado en el centro de un extremo del bloque. El diámetro varía de 1/64" a 8/64". Los bloques son numerados según el diámetro; así el número 1 tiene un diámetro de 1/64", el número 2 2/64", el número 3 3/64" y así sucesivamente. Estos bloques nos dan un sistema para examinar la linealidad del sistema de examen, esto es, son usados para verificar que la altura del eco en la pantalla del CRT aumenta proporcionalmente a la dimensión del taladro. 10.1.2 BLOQUE ALCOA SERIE B Estos bloques normalizados son del tipo distancia - amplitud construidos con defectos de la misma dimensión situados a distinta profundidad, en un material dado. La serie completa está constituida por 19 bloques de 2" de diámetro. Todos los bloques tienen un taladro a fondo plano de una profundidad de 3/4" practicado en el centro del fondo. El diámetro del taladro es el mismo para todos los bloques. Existen series con diámetro de taladro de 3/64", 5/64" o 8/64". Estos bloques sirven como referencia para evaluar la dimensión de los defectos existentes a distintas profundidades en los materiales en examen. Además sirven para verificar la combinación instrumento - transductor y establecer una regulación de la sensibilidad del instrumento para detectar indicaciones sobre la pantalla CRT en un material dado. La evaluación de defectos en el material en examen se efectúa comparando la altura del eco de defecto con la altura del eco procedente del defecto artificial de dimensión conocida en el bloque de referencia con una profundidad de taladro que sea la más cercana posible a la de defecto en el material en examen. La posición del eco en la pantalla CRT indicará la profundidad del defecto en el material en examen. Cuando se compare el eco procedente de un defecto en la pieza con el procedente de un defecto artificial del bloque de referencia, es importante tener en cuenta que el defecto artificial tiene una superficie reflectante ideal, mientras que el defecto de la pieza, no. Esto significa, que eco procedente de un defecto de 1,2 mm (por ejemplo) en la pieza en examen, será más bajo que el eco proveniente de un defecto artificial de 1,2 mm, aunque ambos estén a una misma profundidad respecto a la superficie de examen y del mismo tipo de material, ya que una parte de la energía que llega a defecto es dispersada, (ver Fig. 11.3), esto quiere decir que si los ecos procedentes del defecto y del taladro son iguales, el tamaño del defecto es mayor que el del taladro. 10.1.3 BLOQUE ASME

CAC-JMG

Pagina :45 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Utilizarlo comúnmente en la calibración de instrumentos para la realización de ensayo de uniones soldadas. Se construyen patrones de aumento de espesor de soldadura y con agujeros taladrados a profundidades de ¼ T, ½ T y ¾ T para de esta manera construir la curva DAC, umbral de referencia para un determinado reflector de calibración (ver Fig. 11.4). La serie principal de bloques de referencia ASME es una combinación de bloques de distancia - amplitud. El grupo principal de bloques de referencia ASME consta de bloques de 2" de diámetro. Cada bloque tiene un taladro de 3/4" de profundidad practicado en el centro de la superficie inferior del bloque. Un bloque tiene un taladro de 3/64" de diámetro y una distancia desde el fondo del taladro a la superficie de examen de 3". Siete bloques tienen un taladro de 5/64" de diámetro y una distancia entre el fondo del taladro y la superficie de examen de 1/8", 1/4", 1/2", 3/4", 1 1/2", 3" y 6". Los dos bloques restantes tienen un taladro de 8/64" y una distancia desde el fondo del taladro a la superficie de examen 3 y 6". En este grupo los tres bloques cuya distancia entre el fondo del taladro y la superficie de examen es de 3" con taladro de 3/64", 5/64" y 8/64" de diámetro, constituyen la relación entre sección y amplitud y los 7 bloques con taladro de 5/64" de diámetro con una distancia entre el fondo del taladro y la superficie de examen variable constituyen la relación entre la amplitud y la distancia. La serie completa de bloques de referencia ASME consta de 46 bloques. Es importante que el material de los bloques de referencia estén construidos por un material igual o similar al de la pieza a examinar. El contenido de elementos de aleación, tratamiento térmico, el sistema de elaboración en caliente y en frío, etc., influyen sobre las características acústicas del material. Si no hay disponibles bloques de prueba de material idéntico a aquel que se va a examinar, este debe tener una atenuación acústica, velocidad del sonido, e impedancia acústica similares. Deben existir disponibles bloques de referencia normalizados para la examinación de todos los materiales que generalmente se inspeccionan en taller. 10.1.4 BLOQUES DE REFERENCIA ESPECIALES Los bloques de referencia normalizados no cubren todas las respuestas necesarias para la evaluación de las discontinuidades. Para piezas de geometría irregular muchas veces es necesario construirse una pieza con las mismas características de irregularidad geométrica creándole discontinuidades artificiales como taladros a fondo plano, ranuras, entallas, etc. En algunos casos estas discontinuidades artificiales pueden ser producidas mediante sucesivos mecanizados. En otros casos se usan técnicas especiales como pueden ser un atento estudio de la pieza mediante ultrasonido y con la consiguiente verificación de las discontinuidades por medio de pruebas destructivas. En las tubuladuras la pieza de referencia se hace mediante una entalla en la superficie interna y externa del tubo. 10.2 PATRONES DE CALIBRACIÓN Los patrones de calibración en la prueba de contacto se usan para comprobar el funcionamiento del instrumento ultrasónico y del transductor, además se usa para efectuar alguna regulación del instrumento a fin de que éste se adapte a las condiciones del ensayo.

CAC-JMG

Pagina :46 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

El patrón de calibración, algunas veces es llamado "bloque de referencia" porque contiene discontinuidades artificiales de dimensión y profundidad conocida, pero no son bloques de referencia. El patrón de calibración del Instituto Internacional de la Soldadura I.I.W. (Internacional Institute of Welding), tipo V1, se indica en la figura o K1 y tipo V2 o K2. Este bloque sirve para conocer el punto de salida del haz del transductor. El punto de salida se tiene que conocer para poder determinar la posición de la discontinuidad en la pieza de examen. El punto de salida del haz es el punto en el cual el eje del haz deja el transductor. Para determinar el punto de salida se coloca el palpador en Posición 1 (ver Fig.13) y se mueve hacia adelante o hacia atrás hasta obtener la máxima respuesta de la superficie curva. La ranura del bloque corresponde con el punto de salida del haz en el transductor. La cuña de plástico del transductor está sometida a un desgaste por su continuo uso. Esto puede producir un cambio en el punto de salida y/o el ángulo de refracción del haz ultrasónico. Para verificar el ángulo de refracción (ángulo de entrada), se coloca el transductor en posición 2 y se mueve hacia adelante y hacia atrás hasta conseguir la máxima altura de la respuesta correspondiente al cilindro de plástico insertado en la pieza. (Ver Fig.13). El ángulo marcado en el bloque que coincide con el punto de salida, es el ángulo (α) con que entra el haz dentro de la pieza con respecto a una perpendicular trazada a la superficie de la pieza. Con el bloque V1 del I.I.W. también se puede verificar el poder resolutivo del binomio instrumento-transductor. Este examen difiere del que se realiza con el bloque de referencia Alcoa, porque este se realiza a casi 100 mm de distancia de la superficie, mientras que con el bloque Alcoa se realiza muy próximo a la superficie. La prueba se realiza colocando el transductor en posición 1 (ver Fig.14). Él numero de ecos bien diferenciados que se obtengan sobre la pantalla nos da la resolución del binomio instrumento-transductor. El bloque I.I.W. es de acero y todas sus dimensiones han sido cuidadosamente calculadas, para una velocidad del sonido en este acero de 5940 m/seg. Bloques similares de otros materiales deben tener dimensiones ligeramente diversas, ya que la velocidad del sonido en el material es diversa. El ángulo de refracción de cualquier transductor de haz angular será distinto si el material a examinar es aluminio o acero. En la Fig.15 se ve el pequeño bloque de calibración para haz angular, V2 del I.I.W. Con dicho bloque se puede determinar la calibración del campo de aplicación del instrumento y la verificación del punto de salida y del ángulo de refracción del transductor. V1/K1

CAC-JMG

Pagina :47 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

10.3 CONTROL DE LOS PALPADORES ANGULARES 10.3.1 DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE SALIDA DEL HAZ CENTRAL EN UN PALPADOR El punto de salida normalmente viene marcado en la carcaza del palpador por el fabricante, pero debido al desgaste de la suela por el roce con la superficie de contacto, este punto varía, por lo cual, es necesario determinar el punto de salida periódicamente. El punto de salida se puede determinar con la ayuda del bloque de calibración V1 del I.I.W. de la forma siguiente: Se sitúa el palpador sobre el bloque de calibración en la posición que se indica en la Fig.1(a)

En esta posición se desplaza el palpador hacia adelante y hacia atrás de forma que se obtenga la máxima señal en la pantalla. (Ver Fig.1(b)). La máxima señal se obtiene cuando el punto de salida del haz central del palpador coincide con el radio de 100 mm, de la parte curva del bloque de calibración. La división de la carcaza que coincide con la ranura del bloque correspondiente al punto de salida. 10.3.2 DETERMINACIÓN DEL ÁNGULO DE REFRACCIÓN DE UN HAZ EN UN PALPADOR ANGULAR El ángulo de refracción viene indicado en la carcaza del palpador por el fabricante, pero debido al desgaste de la suela por el roce con la superficie de contacto, este ángulo varía, por lo cual, es necesario determinar el ángulo de refracción periódicamente.

CAC-JMG

Pagina :48 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

El ángulo de refracción se puede determinar con la ayuda del bloque de calibración V1 del I.I.W. de la forma siguiente: Se sitúa el palpador sobre el bloque de calibración en la posición que se indica en la Fig.2(a)

En esta posición se desplaza el palpador hacia adelante y hacia atrás de forma que se obtenga la máxima señal en la pantalla (Ver Fig.2(b)). El ángulo marcado en el bloque de calibración que coincide con el punto de salida del haz, es el ángulo de refracción. PROPAGACION DE UN HAZ ULTRASONICO QUE PENETRA EN UN MATERIAL CON UNA CIERTA ANGULACIÓN. Propagación de un haz que penetra con una cierta angulación en una chapa Cuando un palpador angular, acoplado a un equipo de ultrasonido, se apoya sobre la superficie de una chapa, el haz de ondas longitudinales emitido por el cristal del palpador, se refracta, al atravesar la superficie límite convirtiéndose en un haz de ondas transversales. Este haz se propaga en zig zig a través de la chapa según se ve en la Fig.3, y si en su camino, no encuentra ningún reflector de orientación favorable, continuará su propagación a través de la chapa y en la pantalla no habrá ninguna indicación. Cada reflexión, la divergencia del haz va haciéndose mayor manteniéndose el máximo de presión sonora en la parte central del haz. La divergencia del palpador angular, depende de la superficie del cristal piezoeléctrico y la frecuencia con que emite.

CAC-JMG

Pagina :49 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

11. CALIBRACION DEL SISTEMA DE ENSAYO Cuando un palpador angular, acoplado a un equipo de ultrasonido, se apoya sobre la superficie de una chapa, el haz de ondas longitudinales emitido por el cristal del palpador, se refracta, al atravesar la superficie límite convirtiéndose en un haz de ondas transversales. Este haz se propaga en zig zig a través de la chapa según se ve en la Fig.3, y si en su camino, no encuentra ningún reflector de orientación favorable, continuará su propagación a través de la chapa y en la pantalla no habrá ninguna indicación.

Cada reflexión, la divergencia del haz va haciéndose mayor manteniéndose el máximo de presión sonora en la parte central del haz. La divergencia del palpador angular, depende de la superficie del cristal piezoeléctrico y la frecuencia con que emite.

11.1 CALIBRACION EN DISTANCIA 11.1.1 CAMINO SONICO Reflexión en el borde de una chapa: Imaginemos ahora que el haz de ondas transversales incide en el borde de una chapa (Fig.5). En este caso, aparecerá eco en la pantalla (Fig.6), siempre que la escala elegida en el equipo sea la adecuada. La reflexión se producirá bien cuando el haz incida en el borde inferior o bien cuando incida en el borde superior. El eco de máxima altura corresponderá a la reflexión de la parte central de haz en el borde inferior de la chapa al producirse la primera reflexión. A continuación los sucesivos ecos debidos a reflexiones en los bordes serán lógicamente de menor amplitud a medida que el palpador vaya alejándose del borde de la chapa puesto que el haz el tener que recorrer mayor camino sufrirá una atenuación consiguientemente mayor.

11.1.2 DISTANCIA PROYECCION De lo anterior, se deduce que se puede obtener las reflexiones correspondientes a los bordes inferior y superior de la chapa sin más que situar el palpador de forma que el

CAC-JMG

Pagina :50 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

haz incida primeramente en el borde inferior y después en el borde superior (después de haber sufrido una reflexión en la superficie inferior de la chapa). La reflexión en la esquina inferior del borde de chapa se produce a una distancia p/2 entre el punto de salida del haz del palpador y el borde de la chapa y la reflexión en la esquina superior se produce a una distancia p (Fig.7).

De lo anterior se deduce que el haz barre toda la sección transversal de la chapa, al desplazar el palpador entre p/2 y p. A la distancia p se le denomina "salto" y a p/2 "medio salto". Conociendo el ángulo de entrada del palpador (alfa) y el espesor de la chapa, d se puede calcular fácilmente las distancias p y p/2. En efecto de la figura se deduce que p p tag(α) = 2 ⇒ = d.tag(α) ⇒ p = 2.d.tag(α) 2 d

Los palpadores angulares llevan grabado, para su ángulo de entrada el factor 2 tang(α) , por lo cual, el conocer la distancia de un salto y medio salto, es cuestión únicamente de saber el espesor de la chapa. 11.1.3 DISTANCIA PROYECCIÓN ACOTADA Es la distancia desde el borde del palpador al lugar de la indicación, para el caso de la reflexión obtenida en el medio paso será: a=p/2 –x donde x es la distancia medida desde el borde del palpador al punto donde sale el haz sonico.

P/2

Distancia Proyectada= p/2 -x

x

11.2 CALIBRACIÓN DE SENSIBILIDAD 11.2.1 CURVAS DAC - Ensayo de ULTRASONIDO según código ASME 1.1 Se fabrica el bloque de calibración, según los requerimientos de la Tabla T S42.2.1 del ASME V Art.5. Entrando en la tabla por espesor del material de ensayar, se determina el espesor del bloque de calibración y diámetro del agujero de calibración.

CAC-JMG

Pagina :51 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Estos agujeros de calibración estarán ubicados desde la superficie de ensayo a ¼ T; T/2 y ¾ T, siendo T el espesor del Bloque.

1.2 Una vez calibrada la base de tiempo, de acuerdo al camino sonico máximo de ensayo, se comienza la calibración de sensibilidad utilizando el bloque de calibración fabricado según código. 1.3 Coloco el palpador angular especificado con el haz sonico en dirección al agujero transversal (φ AT) ubicado a una profundidad de ¼ T (T = espesor del bloque) El pico de este reflector se coloca de una altura de pantalla (ATP) de 80%. Se lee el mando de control de ganancia anotando los [dB] alcanzados, registrando este valor como Gc (Ganancia de calibración) Posteriormente se marca en el Tubo de Rayos Catódicos (TRC) con fibra el pico del eco del reflector a ¼ T.

1.4 Coloco ahora el palpador orientado al agujero de T/2, y sin corregir la ganancia, marco con fibra el pico máximo alcanzado.

CAC-JMG

Pagina :52 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

1.5 Con la misma ganancia de calibración (Gc), también marco el pico máximo del eco, del agujero de calibración ubicado a ¾ T.

1.6 Luego uno con fibra todas las marcas con una curva, obteniendo así la CURVA DAC, que es nuestra curva de REFERENCIA, también llamada como DAC 100%.

1.7 Si esta curva en algún tramo de la misma cae por debajo del 40% ATP, se sumara a la ganancia de calibración (Gc) + 6 dB. De esta manera, se consigue levantar la curva y trabajar con ecos bien definidos. Por lo tanto se trabajara con 2 (dos) ganancias de calibración: GR1 para la curva sin amplificar y GR2 para la parte de curva amplificada.

CAC-JMG

Pagina :53 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

11.2.1.2. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO 2.1 El código ASME, establece que se deben trazar en la pantalla las curvas DAC al 50% y al 20%. Para conseguir esto realizamos lo siguiente: Colocamos nuevamente el palpador sobre el bloque de calibración, orientando el haz al agujero transversal de ¼ T y bajamos la ganancia a -6 dB, marcando en la pantalla el pico máximo.

Seguidamente volvemos a restarle a la ultima Gc otros -8 dB (total restado -14 dB) y marcamos el pico máximo obtenido. Esta operación se realiza también con los agujeros ubicados a T/2 y ¾ T.

CAC-JMG

Pagina :54 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Si unimos los puntos conseguidos con -6 dB obtenemos la curva DAC 50% y si luego unimos los puntos a -14dB se obtiene la curva DAC 20%.

2.2 Trabajar con la pantalla marcada según el punto anterior es ventajoso pues tendremos representado las 3 (tres) curvas DAC al 100%, 50% y 20%, pero resulta muy difícil discriminar Discontinuidades desde la mitad de la pantalla en adelante. Otra forma mas sencilla es trabajar con la curva DAC 100% dibujada en pantalla solamente y sumarle +6dB para que se convierta en una curva DAC 50%, o (sumar a la Gc original) +14dB para convertir la DAC 100% en DAC 20%.

2.3 Una vez dibujada la curva DAC, se trabaja de la siguiente manera:

CAC-JMG

Pagina :55 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

(a) Toda indicación que aparece en pantalla, que supere la curva DAC 20% pero cae por debajo de la curva DAC 50%, se evalúa su longitud y tipo de indicación hallada.

(b) Toda indicación que cae sobre la curva DAC 50% y la supere, pero es menor a la DAC 100% se registra su longitud, ubicación y amplitud para luego evaluar según criterio de aceptación y rechazo.

(c) Toda indicación que alcance la curva DAC 100% y/o supere será rechazada.

11.3 Determinación de la Ubicación de una Discontinuidad Supongamos que al verificar una chapa con palpador angular se detecta un defecto. Este defecto producirá si es de orientación favorable al haz un eco en la pantalla del equipo (Fig.9). Consideremos que la posición del defecto dentro de la chapa es la indicada en la Fig.10. Si el equipo ha sido calibrado en recorridos del haz, podremos conocer, sin más que leer directamente en la pantalla la distancia s a la que se encuentra el defecto; ahora bien, recurriendo a sencillas expresiones de trigonometría tendremos que:

CAC-JMG

Pagina :56 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

sen ( α) = a / S

cos ( α) = t / S y por lo tanto

a = S. Sen( α) y t = S. Cos( α) y como α es conocido puesto que es el ángulo de entrada del haz, podremos determinar la distancia "a" a la cual se encuentra el defecto, medida sobre la superficie de la chapa, así como su profundidad t.

CAC-JMG

Pagina :57 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

12 - TECNICAS DE ENSAYO 12.1 INTERPRETACIÓN DE LAS INDICACIONES. A lo largo de la exposición realizada sobre las técnicas utilizadas en ultrasonidos, aplicadas primordialmente a la detección de heterogeneidades en los materiales, se ha esbozado, con ocasión de algunos ejemplos, el problema de la interpretación de las indicaciones que aparecen en la pantalla del TRC. Producida la indicación, mediante la técnica adecuada, es preciso interpretarla. Como decíamos en el Capítulo 1, la interpretación consiste en hallar la correlación entre la indicación observada con la propia naturaleza, morfología, orientación posición y tamaño de la heterogeneidad; es decir, la interpretación es el dictamen sobre qué es lo que da motivo a una indicación. La interpretación es, pues, una función de importancia primordial y su responsabilidad recae de lleno en el experto en los ensayos por ultrasonidos. Pero en los ensayos mediante el método de pulso – eco con representaciones en la pantalla de un TRC tipo A ( Scan A), es la técnica más aceptada y ampliamente utilizada en la detección de heterogeneidades, hay que resaltar la dificultad que supone lograr una interpretación adecuada de estas indicaciones, ya que son originadas por reflectores de características en principio desconocidas. La única información de que se dispone para su identificación es precisamente la indicación de su eco en la pantalla, la cual se deberá analizar cuidadosamente en todos sus parámetros, entre los que cabe destacar: • • • • •

Distancia de la indicación al origen de la pantalla. Altura de la indicación. Forma de la indicación. Cambio que experimenta al mover el palpador a la muestra. Variación que sufre con la frecuencia de ensayo.

De los resultados de estos análisis, se deberán extraer conclusiones acerca de la naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño de la heterogeneidad que ha dado lugar al eco. La indicación del eco de una heterogeneidad es, pues, una imagen abstracta de la misma. De ahí surge la dificultad de su interpretación y la justificación de dedicar, con cierta extensión, el presente epígrafe a este tema concreto. Indudablemente, nada ayudará tanto al interesado como su propia experiencia en la resolución de problemas reales y prácticos mediante ensayos por ultrasonidos y sus conocimientos sobre la tecnología de los materiales y sobre los procesos o las condiciones de servicio a que ha sido sometida la muestra de ensayo, es decir, sobre el historial de la misma. 12.1.1 TIPOS DE HETEROGENEIDADES DETECTABLES. Las posibilidades de detección de una heterogeneidad por ultrasonidos, dependen de sus propias características, de las del material que la contiene y de los parámetros de ensayo. Analizaremos brevemente estos factores, recordando algunos conceptos ya estudiados.

CAC-JMG

Pagina :58 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

12.1.1.1 CARACTERÍSTICAS DE LA HETEROGENEIDAD. Vienen definidas, principalmente, por su naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño. a) Naturaleza Influye sobre la impedancia acústica de la heterogeneidad, si bien, más que su valor absoluto, interesa su relación con la impedancia acústica del medio que la rodea. Si ambas impedancias son similares, la reflexión en la superficie límite es débil, lo que dará lugar a una menor altura de la indicación del eco o, incluso, a su no-aparición. b) Morfología La configuración geométrica de la heterogeneidad es importante en cuanto influye sobre la cantidad de energía reflejada y, en consecuencia, sobre la altura y la forma de la indicación. Así, una heterogeneidad de tipo esférico y de superficie rugosa, puede pasar desapercibida ( a determinada frecuencia) a causa de la dispersión de energía que provoca

c) Orientación Deberá ser tal que permita alguna reflexión del haz en la dirección adecuada. La orientación óptima se produce cuando el plano principal de la heterogeneidad es perpendicular al eje del haz ultrasónico. Una heterogeneidad de morfología plana con orientación paralela al haz de ultrasonidos no dará, prácticamente, lugar a ninguna reflexión. d) Posición Si la distancia a que se encuentra la heterogeneidad es suficientemente grande, su eco puede llegar a confundirse con el ruido del fondo ( pasto) y pasar así inadvertida. Evidentemente a medida que sea mayor su tamaño, mayor será la distancia a la que tenga lugar la pérdida de indicación. Por otra parte, la heterogeneidad puede ser o no accesible al haz ultrasónico como consecuencia de la forma de la muestra. e) Tamaño En general, deberá ser igual o mayor que la media longitud de onda del haz ultrasónico. Un disco plano, de diámetro igual a λ/2 , sólo será detectable en condiciones muy favorables, por lo que, en la práctica, esta dimensión se considera como límite inferior de sensibilidad.

12.1.1.2 CARACTERÍSTICAS DEL MATERIAL. Las características del material que más afectan al ensayo por ultrasonidos, son su impedancia acústica, su coeficiente de atenuación y el estado superficial de la muestra. a) Impedancia acústica Influye, sobre todo, según se ha dicho, su relación con la impedancia acústica de la heterogeneidad.

CAC-JMG

Pagina :59 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

b) Coeficiente de atenuación Los fenómenos de absorción y dispersión de la energía en el seno del material limitarán, por un lado, la distancia que podrá ser alcanzada para un nivel dado de sensibilidad y, por otro, producirán ruido de fondo que, en su caso, podrá enmascarar las indicaciones de los ecos de las pequeñas heterogeneidades c) Estado superficial Será deseable que la muestra tenga un acabado fino, a fin de que las pérdidas de energía en la transmisión sean mínimas, pero esta circunstancia no siempre se presenta en la práctica. Si la superficie posee una rugosidad del orden de ½ λ, la penetración de las ondas en el material puede no tener lugar, por lo que deberá amolarse o lijarse la superficie para alcanzar la sensibilidad requerida en el ensayo 12.1.1.3 PARÁMETROS DEL ENSAYO. En puntos anteriores se ha analizado la influencia de la frecuencia y de las características del palpador sobre los parámetros del ensayo: Longitud del campo cercano ( N), divergencia del haz (γ), penetración, sensibilidad y poder de resolución. FRECUENCIA. Dada su relación con la longitud de onda, su influencia será decisiva en cuanto a la detectabilidad de heterogeneidades pequeñas. Por otra parte, si para alcanzar niveles altos de poder de resolución se utilizan frecuencias de ensayo elevadas, se corre el riesgo de que, al aumentar excesivamente el coeficiente de atenuación, se pierda tanto poder de penetración que el ensayo resulte inviable Así por ejemplo, en materiales metálicos con grano fino, se suelen emplear frecuencias de 2 a 6 MHz, con lo que se logran buenas propiedades de penetración junto con un nivel aceptable de sensibilidad de detección de pequeñas heterogeneidades. 12.2 MEDIDAS DE ESPESORES. Distinguiremos las medidas de espesores realizadas en operaciones de fabricación de las efectuadas en operaciones de mantenimiento. En ambos casos los ensayos se realizan con incidencia normal. • Las medidas de espesores de fabricación se llevan a cabo mediante equipos de resonancia, obteniéndose las lecturas por la posición del pico o picos de resonancia de la pantalla de TRC, o mediante equipos de pulso - eco de medida del tiempo recorrido t, cuyas lecturas vienen dadas por un indicador de aguja con una escala graduada o mediante un sistema digital. Los equipos de resonancia permiten la medida de espesores más finos. A partir de 0,1 mm, bien por el contacto o por inmersión, este ultimo aplicado en ensayos automáticos. Los segundos operan para espesores por encima de unos 2 mm, por contacto, siendo idóneos para operación manual. •

En operaciones de mantenimiento, el ensayo tiene como finalidad primordial detectar las perdidas de espesor, en superficies no accesibles u ocultas, habidas por corrosión o deterioración por agentes ambientales (erosión, cavitación, desgastes, etc.).

CAC-JMG

Pagina :60 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

• La precisión del método es muy elevada y resuelve la mayor parte de los problemas planteados en las instalaciones industriales. Se aplica tanto en formas de planas como curvas, (figura 3.72) , tales como tubos, recipientes cilíndricos y esféricos. Para el examen de grandes volúmenes se recurre con frecuencia a ensayos por inmersión local.

12.3 DETECCION DE HETEROGENEIDADES. Los productos con superficies paralelas relativamente próximas, tales como chapas, placas y tubos, obtenidos por procesos de laminación, extrusión o estirado y los componentes estructurales que de ellos se derivan, así como discos forjados, presentan heterogeneidades de morfología, orientación y posición tan familiares que muchas de las técnicas operatorias aplicables les son comunes. Las heterogeneidades de fabricación tales como inclusiones o grietas de contracción que, debido al proceso de elaboración, aparecen en forma de dirección al eje del tubo. Algunos procesos de fabricación provocan grietas y pliegues en la superficie de los productos, con una orientación perpendiculares u oblicuos respecto al eje axial del material, estas discontinuidades se pueden presentar tanto en la superficie externa como en la interna, tales como, por ejemplo, grietas transversales producidas en la pared interna de tubos de acero obtenidos por recalcado. Estas heterogeneidades superficiales pueden dar lugar, cuando el producto esta en servicio, a la propagación de grietas por fatiga. Las técnicas de inspección empleadas para su detección serán similares a las aplicadas en la detección de discontinuidades superficiales en el proceso de fabricación. Al igual puede decirse que otras discontinuidades superficiales, tales como grietas de corrosión bajo tensiones, grietas por fragilidad, que por su morfología, orientación y posición hacen aplicables las mismas técnicas de inspección. Consideramos incluidos también aquí, los componentes estructurales resultando de la unión por difusión, soldado o encolado de formas planas o curvas con superficies paralelas, tales como cojinetes antifricción y otras uniones de bi-metales, como por CAC-JMG

Pagina :61 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

ejemplo placas de elementos combustibles nucleares y aun formas algo más complejas, tales como estructuras en panal de abeja y los cuerpos de motores cohete de combustibles sólidos. El problema, en esos componentes, radica generalmente en determinar la calidad de la unión y detectar la presencia de faltas de adherencia o de pegado. Estas discontinuidades se presentan con una morfología, orientación y posición que les asemeja al caso de las laminaciones en chapas, placas o en tubos, por lo que sus técnicas de inspección serán también afines. En los ensayos de detección de heterogeneidades en muestras de superficies paralelas, se emplea preferentemente el método de pulso - eco, aunque en ensayos especiales se opera también con el método de transparencia por transmisión. En ambos casos los ensayos se pueden realizar por contacto, inmersión o inmersión local. La propia geometría de las muestras permite la aplicación de los ensayos con incidencia normal, por o por , con incidencia angular con trayectoria en zigzag, los ensayos con ondas de Lamb en espesores finos y más raramente, los ensayos con ondas de superficie. INCIDENCIA NORMAL

Los ensayos con incidencia normal mediante el método de pulso-eco, se aplican, preferentemente, para la detección de heterogeneidades en el núcleo de la muestra como inclusiones, laminaciones y porosidad del núcleo (Fig. 3.72), por contacto o por inmersión. Según el espesor de la muestra y la posición de la heterogeneidad, se aplica la técnica por o por , para mayor sensibilidad y poder de resolución, se recurre a palpadores de doble cristal tipo E-R, bien por inmersión en ensayos automáticos. Los ensayos con incidencia normal, mediante el método de pulso-eco, se aplican también para la determinación de la calidad de la unión y para la detección de zonas con falta de adherencia a de pegado entre el metal antifricción y el tejuelo en cojinetes antifricción, entre otros tipos de uniones de bi-metales y, por ejemplo, ente el revestimiento y el núcleo de estructuras en panal de abeja, (Fig. 3.72). Teniendo en cuenta el poco espesor del metal antifricción de los cojinetes, es aconsejable emplear un palpador de doble cristal tipo E-R. Si el radio de cobertura es pequeño, se recomienda el ensayo por inmersión. Según la naturaleza de cada problema, se recurrirá a las técnicas de eco de simple o ecos múltiples ya descritas. El método de transparencia por transmisión se aplica igualmente para la detección de heterogeneidades en el núcleo y faltas de adherencias o de pegado de uniones entre metales, Fig. 3.73; pero, debido a las dificultades y complicaciones de montaje para mantener la alineación correcta de los palpadores, esta técnica se reserva a los ensayos por inmersión y para muestras de espesor fino. Cabe citar la ventaja de la posibilidad de detectar, con esta técnica, laminaciones u otras heterogeneidades similares que estén muy próximas a la superficie. Los ensayos de transparencia por contacto aunque engorrosos, resultan en ocasiones la única vía de posible solución en determinados problemas. Es el caso, por ejemplo, del examen de componentes estructurales en panal de abeja, fig. 3.73 para comprobar la integridad del núcleo.

CAC-JMG

Pagina :62 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Estos componentes no deben sumergirse en un tanque de agua, ya que ésta se puede infiltrar en las celdillas con el consiguiente deterioro.

Figura 3.73

B)

INCIDENCIA ANGULAR Por la geometría favorable de la muestra, la técnica operatoria más idónea es la de trayectoria en zigzag y mediante el método de pulso - eco, en la casi totalidad de los ensayos. En el examen de muestras planas o de tubos, según la dirección de su eje, es decir, según el plano diametral al tubo (exploración longitudinal), la trayectoria en zigzag seguirá una propagación en forma circular, Fig. 3.74. Según veremos, esta circunferencia permite introducir unas variantes operatorias muy favorables en las técnicas aplicadas en el examen de tubos. La técnica de trayectoria en zigzag está indicada, para la detección de heterogeneidades superficiales tales como grietas y pliegues con su dimensión mayor más o menos perpendicular a la superficie de la muestra, pudiéndose estimar el tamaño y/o profundidad de la discontinuidad.

En el caso de espesores relativamente finos, se pueden detectar también heterogeneidades internas aun de tipo laminar (laminaciones e inclusiones), si bien la determinación de su tamaño no es tan precisa, siendo preferible para este fin la técnica de incidencia normal. El examen de tubos mediante la técnica de trayectoria en zigzag, ha adquirido un desarrollo grande con la introducción de sistemas que permiten la automatización del ensayo. En lo que sigue, suponemos el caso de tubos sin costura y recordamos que pueden presentar heterogeneidades longitudinales de fabricación, tales como grietas y pliegues en la superficie exterior e interior del tubo, inclusiones o grietas de contracción en el núcleo que, por el proceso de fabricación, se presentan con una morfología igual a la de las laminaciones en productos planos. Estas heterogeneidades se detectan, preferentemente, mediante el examen circular o transversal del tubo. Algunos procesos de fabricación dan lugar a pliegues en forma de L en dirección longitudinal, los cuales se pueden detectar en una de las dos direcciones del tubo. También pueden presentar grietas transversales, en particular en la pared interna del tubo. En tubos de pared muy fina, los ensayos con incidencia angular darán lugar, normalmente, a propagación de ondas similares a las ondas de Lamb o de chapa. B1) Detección de discontinuidades orientadas Transversalmente en productos tubulares

CAC-JMG

Pagina :63 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

Esta inspección se realiza empleando ángulos de penetración en función del espesor de pared, similares a los empleados en los productos planos. En tubos de diámetro exterior menor de unos 80 mm, el haz de ultrasonidos se propaga parcialmente en espiral, lo que simplifica el ensayo, ya que esta circunstancia permite la detección de heterogeneidades localizadas no sólo en la misma generatriz sobre la que se mueve el palpador, sino en la opuesta y a distancias más alejadas. B2) Detección de discontinuidades orientadas longitudinalmente en productos tubulares Debido a su uso más extendido y a las variantes que admite, nos detendremos algo más adelante en su estudio. Observando la secuencia de esquema (a), (b) y (c) de la figura 3.74, se comprueba que existe una relación de espesor de pared al diámetro exterior del tubo, e/D, a partir de la cual las ondas transversales no alcanzan la superficie interior del tubo [esquema (c)]. Para este tipo de ondas, la relación máxima e/D valdrá dada por:

e c = 0.5 * (1 − sen (α)) = 0.5 * (1 − T ) D cL En muestra de acero, las ondas transversales se propagan a partir de un ángulo de refracción α > 33º, por lo que sólo se podrán examinar tubos de espesor de pared hasta 0,22 de diámetro exterior ( e/D ≤ 0,22), es decir, del orden de 1/5 del diámetro exterior. En muestras de aluminio esta relación es de 0,20 y en las de cobre 0,26. Para relaciones mayores, habrá que recurrir, entonces, a la propagación de ondas longitudinales. Teniendo en cuenta que las variantes en las técnicas inspección aplicadas al examen circular de tubos dependen primordialmente, de la relación espesor y del diámetro exterior, se establece una clasificación puramente arbitraria de los tubos, a titulo eminentemente práctico, según los siguientes cinco grupos de diámetro exteriores: Diámetro exterior muy grande, > 400 mm, Diámetro exterior grande, de 120-400 mm, Diámetro exterior mediano, de 50-120 mm, Diámetro exterior pequeño, de 25-50 mm, Diámetro exterior muy pequeño, < 25 mm, a) Tubos de diámetro exterior muy grande Son los empleados, generalmente, en tanques de almacenamiento y en acumuladores de vapor. En estos diámetros, el haz de ultrasónico sólo recorre, siguiendo una trayectoria circular en zigzag, una porción pequeña de la circunferencia. Si el componente o tubo está fijo, el ensayo se realiza por contacto, desplazando el palpador angular en dirección circunferencial entre dos generatrices con movimiento de vaivén. Los ángulos de penetración empleados son de 45º a 60º. b) Tubos de diámetro exterior grande Se pueden emplear dos palpadores angulares adyacentes y conectados en paralelo radiando en sentido opuesto, tal como se indica en el esquema (a), Fig. 3.74. Con esta técnica operatoria se obtienen dos indicaciones (H1) y (H2) (véase esquema del oscilograma) de una misma heterogeneidad, simétricamente situadas delante y detrás de la indicación de eco de referencia. Esta ultima procede de sendos pulsos acústicos

CAC-JMG

Pagina :64 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

que, procedentes de cada palpador, viajan en sentido opuesto y que cada uno recibe simultáneamente del otro, tal como si procedieran de una heterogeneidad (H1) y (H2) se alejarán o se aproximaran, simultáneamente, de la o a la indicación del eco de referencia respectivamente. Cuando la indicación (H1), situada entre la señal inicial (I) y la indicación de referencia, se encuentre a la mitad de la distancia de (I) y la referencia, significa que la heterogeneidad se encuentra a 90º con relación al punto de aplicación de los palpadores. Esta técnica presenta las ventajas de indicar, inmediatamente, aún en ausencia de heterogeneidades, si la posición y el acoplamiento de ambos palpadores son correctos. Además, facilita una información adicional para la interpretación, ya que, por ejemplo, una grieta o un pliegue inclinados con relación a la superficie del tubo dará lugar a una indicación más débil o nula con el palpador con el que su orientación no resulte favorable, pero más fuerte o de mayor altura con el otro palpador por ser entonces su orientación más favorable. La indicación de un eco de referencia ® se emplea no sólo, tal como su nombre indica, para comprobar el acoplamiento correcto de los palpadores, sino también en la interpretación. Si realizadas las comprobaciones pertinentes se observa una amortiguación fuerte de la indicación, esto apunta hacia la posible presencia de una heterogeneidad: Si el tubo es nuevo, podrá corresponder a una laminación que también puede dar lugar a una indicación propia de la laminación, aunque débil: si el tubo es usado, podrá corresponder a corrosión en la superficie interior del tubo, la cual produce dispersión de las ondas. Si el espesor de pared del tubo es mayor a 20 mm, ambas heterogeneidades se podrán discernir mediante un ensayo con incidencia normal y técnica por eco simple ( Fig. 3.72). si el espesor de pared es fino, mediante la técnica por ecos múltiples. Siguiendo con la técnica de trayectoria en zigzag, uno de los parámetros a elegir es el ángulo de penetración idóneo, teniendo en cuenta la relación e/D de la muestra da ensayo. Con relaciones e/D reducidas, las ondas inciden en la pared interior del tubo con un ángulo aproximadamente igual al que abandona el palpador. Con relaciones e/D grandes, puede ocurrir que el haz no alcance la superficie interior del tubo con lo que decrecerá su sensibilidad a heterogeneidades internas. Así, por ejemplo, si se opera con ondas transversales, se recomiendan los siguientes ángulos de penetración (ángulos de refracción) para distintas relaciones e/D): Relación Espesor/Diámetro Angulo de refracción 0,2 – 0,12 40° 0,12 – 0,08 50° 0,08 – 0,05 60° < 0,05 70°

De acuerdo con lo anteriormente expuesto y de la ecuación (39), se deduce que a partir de relaciones e/D < 0,20 no se pueden detectar heterogeneidades internas con ondas transversales (en la superficie interna del tubo). En estos casos, se recurre al empleo de ondas longitudinales hasta ángulos de unos 30º. Pero dado que parte del haz de ondas longitudinales incide perpendicularmente en la pared interna del tubo, se obtienen, simultáneamente, indicaciones de los sucesivos ecos en dicha, pared interna

CAC-JMG

Pagina :65 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

(ecos múltiples, que afortunadamente, se distinguen por permanecer estáticas cuando se desplazan los palpadores o se gira el tubo. Dadas las grandes dimensiones de estos tubos, las instalaciones automáticas operan generalmente por inmersión local y proporcionan al tubo un movimiento de giro y avance en espiral..

c) - Tubos de diámetro exterior mediano, Se aplica también la técnica anterior, de dos palpadores adyacentes y conectados en paralelo, figura 3.74 (a); pero, en las plantas de fabricación con instalaciones automáticas se opera preferentemente por inmersión. Debido a que el recorrido circular del haz es menor en estos tubos, por su menor diámetro, las correspondientes a la señal (I) del palpador y a la indicación del eco de referencia ® ocupan mucho espacio en la pantalla de TRC en

CAC-JMG

Pagina :66 de 67

GEND

Curso Ultrasonido NIVEL I

relación con la circunferencia total del tubo, lo que obliga a emplear frecuencias más elevadas (4 MHz en muestras de acero en vez de 2 MHz), siempre que la condición y estado de acabado de la superficie de exploración no dé lugar a un exceso de ruido o pasto en la pantalla del TRC. d) - Tubos de diámetro exterior pequeño Cuando el volumen del lote es reducido, se opera por contacto, manualmente, con un solo palpador angular miniatura, con un ángulo de penetración del orden de 45º y de 4 MHz. Se obtiene, igualmente, una indicación correspondiente a un o de referencia, procedente del recorrido del impulso acústico a lo largo de toda la circunferencia. Sin embargo, cualquier heterogeneidad produce un eco en cada ciclo. En el caso de ecos de grietas superficiales, perpendiculares a la superficies externas o internas del tubo, se observan, con frecuencia, secuencias de indicaciones de ecos de la grieta que se distinguen de cualquier indicación estacionaria de ecos perturbadores si se gira el tubo ya que se desplazaran al girar el tubo (indicaciones móviles). En este orden de diámetros pequeños se encuentran incluidos gran número de tubos de intercambiadores de calor, tubos para metalmecánica y de alta calidad, que requieren un ensayo rápido, económico y masivo, por lo que es preciso recurrir a las técnicas de inmersión. Para evitar reflexiones directas de la superficie, se emplean dos palpadores, uno como emisor y otro como receptor suficientemente distanciados, tal como indica, como por ejemplo, en la Fig. 3.74 (d. Al igual que expusimos anteriormente, los pliegues en la superficie externa o interna de tubo, se detectan con una sola revolución del tubo, ya que el haz siempre incide el alguna ocasión del lado más favorable para la reflexión. En las instalaciones automáticas, se proporciona al tubo bien un movimiento helicoidal o bien un movimiento rectilíneo combinado con el giro de los palpadores. e) Tubos de diámetros exterior muy pequeño El ensayo se realiza, generalmente, por inmersión. Sólo si están instalados se recurre, naturalmente, al ensayo por contacto con palpadores angulares miniatura, pero el guiado es difícil y no se obtiene la indicación del eco de referencia o de retorno para controlar el acoplamiento. En los ensayos de inmersión se emplean las mismas instalaciones citadas en el apartado anterior, d. Se recurre, generalmente, a palpadores de 4 MHz focalizados para aumentar la sensibilidad. En los tubos de pared para reactores nucleares, se plantean problemas funcionales muy severos que exigen un nivel alto de calidad. Se llegan a detectar grietas de 0,03 a 0,05 mm de profundidad, lo que requiere un ajuste muy exacto de los palpadores con relación al tubo.

CAC-JMG

Pagina :67 de 67