CUROS ENSAYOS

7/25/2019 CUROS ENSAYOS

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Facultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Mecnica

Estudio de integridad estructuralmediante ultrasonidos Phased Array.

Informe de Habilitacin Profesionalpresentado en conformidad a los requisitospara optar al Ttulo de Ingeniero Civil Mecnico.

Profesor Gua:Juan Carlos Figueroa Barra.

Jos Pablo Marino Rivera.

CONCEPCION - CHILE2014

Universidad del Bo-Bo. Red de Bibliotecas - Chile


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Sumario.

En el presente informe se llevar a cabo el diseo de un protocolo de inspeccinpor ultrasonidos, que utilice la tecnologa de escaneo mlti elementos Phased

Array y se rija a la normativa vigente, para determinar la integridad estructural desistemas mecnicos, especficamente de uniones soldadas. Para esto se realizarun estudio de los principios tericos que rigen la generacin y el comportamientodel sonido, como tambin la exploracin de las capacidades que posee el equipode inspeccin por ultrasonidos Olympus EPOCH 1000i para la inspeccin yevaluacin de discontinuidades.Luego se realizarn inspecciones de pruebas a probetas con fallas inducidas para

poder determinar la eficacia del mtodo diseado. Para finalizar se llevara a cabouna medicin a un estanque recolector de aire de un compresor industrial, con lafinalidad de aplicar este mtodo a una situacin real de inspeccin.



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Glosario.

: Velocidad de onda en el medio.

: Velocidad acstica. (m/s)

: Mdulo de Young.: Mdulo de corte.

Z : Impedancia acstica.SD

2SD

: Distancia de salto.: Distancia de medio salto.

DS

DA

e

: Distancia superficial.: Distancia angular.: Espesor.

: Longitud de onda. (mm)

: Densidad (kg/m3).: Frecuencia (Hz).: Periodo (s).

: ngulo de la zapata.



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INDICE. INTRODUCCIN. .............................................................................................................................................4Objetivos: .........................................................................................................................................................5

Objetivo general: ........................................................................................................................................5Objetivos especficos: ...............................................................................................................................5

Captulo I: Ensayos no destructivos (END). ............................................................................................6Ensayos no destructivos ms utilizados en la inspeccin de materiales. .................................6

Lquidos penetrantes. ...........................................................................................................................7Partculas magnticas. ..........................................................................................................................8Radiografas. ............................................................................................................................................9Ultrasonidos. ........................................................................................................................................ 10

Clasificacin de los ensayos no destructivos (END). ........................................................................ 11Tabla comparativa entre los tipos de ensayos no destructivos. ................................................ 12

Captulo II: Propagacin de ondas. ........................................................................................................ 13Nociones de acstica. ............................................................................................................................ 13Principios de la acstica. ...................................................................................................................... 14

Tipos de ondas. .................................................................................................................................... 16Ondas sonoras. .................................................................................................................................... 20Frecuencias. ......................................................................................................................................... 21

Velocidad de propagacin. ............................................................................................................... 21Descomposicin de ondas. .............................................................................................................. 23

Captulo III: Generacin del ultrasonido. .............................................................................................. 24Procedimientos mecnicos. ................................................................................................................. 24Efecto magnetoestrictivo . ..................................................................................................................... 25Efecto piezoelctrico. ............................................................................................................................. 26Deteccin de defectos por ultrasonido. ............................................................................................ 27

Captulo IV: Ultrasonido Phased array. ................................................................................................. 28

Ventajas de Phased Array respecto al UT convencional. ............................................................. 29Diferencias entre Phased Array y UT convencional. ..................................................................... 29Formacin del Haz. ................................................................................................................................. 30Modos de barridos electrnicamente controlados. ....................................................................... 31Reflexin de la onda acstica en modo Phased Array. ............................................................... 32

Captulo V: Equipo Olympus EPOCH 1000i. ......................................................................................... 33



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Descripcin del equipo. ......................................................................................................................... 34Panel de control. .................................................................................................................................. 34Conectores. ........................................................................................................................................... 35Pantalla. ................................................................................................................................................. 36

Escalas en pantalla. ................................................................................................................................ 37Modo Ultrasonidos convencionales. .............................................................................................. 37Modo ultrasonidos Phased Array. .................................................................................................. 38

Herramientas de software (Estndar). ............................................................................................... 39Herramientas de software (Opcionales). ........................................................................................... 40

Captulo VI: Tipos de discontinuidades en soldaduras. ................................................................... 41Porosidad (Porosity): ......................................................................................................................... 41

Tipos de porosidad: ............................................................................................................................ 41Inclusiones (Inclusions): ................................................................................................................... 42

Fusin incompleta (Incomplete fusion): ....................................................................................... 43

Penetracin incompleta o falta de penetracin (Incomplete joint penetration): ................ 44

Fisuras (Cracks): ................................................................................................................................. 45

Socavadura / mordedura (Undercut): ............................................................................................. 47

Concavidad (Underfill): ...................................................................................................................... 47

Garganta insuficiente (Insuficient throat): .................................................................................... 48

Solape (Overlap) (Metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin fundirlo): ........... 48

Penetracin excesiva (Excesive penetration): ............................................................................ 48

Captulo VII: Normas para la inspeccin de soldaduras por ultrasonido. ................................... 49Seleccin de normas a considerar. .................................................................................................... 50Determinacin del mtodo Phased Array como mtodo valido para la inspeccin. ............ 50Seleccin del mtodo de evaluacin de discontinuidades (herramienta de software). ....... 51

Herramienta de software Curvas DAC/TVG Dinmicas. ............................................................ 51Herramienta de software para inspecciones conformes a la norma AWS D1.1/D1.5. ...... 53Seleccin de herramienta de software a utilizar en la inspeccin. ........................................ 53

Captulo VIII: Requisitos y mtodo de inspeccin segn norma AWS D1.1 utilizando PhasedArray. .............................................................................................................................................................. 55

Requisitos estipulados en cdigo AWS D1.1. ................................................................................ 55Mtodo de inspeccin y evaluacin segn norma AWS D1.1 utilizando Phased Array. ..... 57

Delimitacin de la zona de barrido. ................................................................................................ 57Calibracin y utilizacin de la herramienta de software AWS D1.1/D1.5. ............................ 59



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Inspeccin con la herramienta AWS D1.1. ................................................................................... 67Clasificacin y evaluacin de discontinuidades. ........................................................................ 68Clasificacin de discontinuidades. ................................................................................................. 68Evaluacin de discontinuidades. .................................................................................................... 70

Determinacin de la longitud de las discontinuidades. ................................................................ 71Tcnica de los 6 dB. ............................................................................................................................ 71

Informe de inspeccin tipo AWS D1.1. .............................................................................................. 72Captulo 9: Inspecciones a probetas. .................................................................................................... 73

Inspeccin a probetas del kit educacional para ensayos de ultrasonidos. ............................. 73Inspecciones a probetas N6 y N1c. ................................................................................................. 73

Inspeccin probeta N6. .................................................................................................................... 74Resultados: ........................................................................................................................................... 75

Dimensionamiento y ubicacin de la falla. ................................................................................... 77Evaluacin de la discontinuidad. .................................................................................................... 78Inspeccin probeta N1c. .................................................................................................................. 80Resultados: ........................................................................................................................................... 81Dimensionamiento y ubicacin de la falla. ................................................................................... 83Evaluacin de la discontinuidad. .................................................................................................... 84

Captulo X: Inspeccin a equipo compresor. ....................................................................................... 86Datos de los elementos del Compresor a inspeccionar. .............................................................. 86Inspeccin. ................................................................................................................................................ 87

Determinacin de las zonas de barrido. ........................................................................................ 87Inspeccin del estanque. .................................................................................................................. 88Inspeccin de junta circular. ............................................................................................................ 89Resultados. ........................................................................................................................................... 89Inspeccin a junta Manto- Cabezal. ................................................................................................ 90Resultados. ........................................................................................................................................... 91Dimensionamiento y ubicacin de la falla. ................................................................................... 93Evaluacin de la discontinuidad. .................................................................................................... 94

CONCLUSIONES. ......................................................................................................................................... 96Bibliografa. ................................................................................................................................................... 99

Seminario: ................................................................................................................................................. 99Normas: ...................................................................................................................................................... 99Web: ............................................................................................................................................................ 99



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INTRODUCCIN.

Este proyecto tiene como finalidad la adquisicin de las competencias necesarias parapara la utilizacin del modo de inspeccin por ultrasonidos Phased Array y la aplicacin dela normativa vigente en el estudio de integridad estructural de soldaduras. Para lograr losobjetivos de este proyecto se necesit en primera instancia un estudio de la teora delultrasonido, principalmente a lo que se refiere a la acstica y propagacin de ondas, paraluego poder dar pie a la parte prctica, realizando diversas mediciones con el equipo contal de adquirir las competencias necesarias para poder disear un protocolo de inspeccinbasado en la tecnologa Phased Array, y que a su vez se encuentre encuadrado dentro delas normas internacionales para ensayos no destructivos por ultrasonidos. Para esto se

debi profundizar en el uso del equipo de ultrasonidos con tal de definir cul de lasherramientas de software que este posee, era ms adecuada para la inspeccin dediscontinuidades en soldaduras.

Una vez diseado el protocolo de inspeccin se llevaron a cabo mediciones a probetas deun kit educacional de probetas con fallas de soldadura, estas probetas tienen laparticularidad de poseer fallas inducidas por lo que se utilizaron para determinar lafiabilidad del mtodo de inspeccin diseado.

Finalmente, se llev a cabo una medicin al estanque recolector de aire de un compresorde pistones alternativo, con la finalidad de determinar mediante el protocolo expuesto eneste informe, la integridad estructural de las uniones soldadas que fueron inspeccionadas.



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Objetivos:

Objetivo general:

Definir protocolos de inspeccin de sistemas mecnicos con el fin de realizarestudios de integridad estructural mediante ultrasonido Phased Array.

Objetivos especficos:

Adquirir competencias en el manejo del equipo EPOCH 1000i, explorando sus

reales potencialidades en el estudio de integridad estructural. Aplicar el uso de la normativa vigente, para ensayos no destructivos por medio de

ultrasonido, en estudio de integridad estructural.

Ejecutar un anlisis de integridad estructural mediante ultrasonido Phased Array, aun sistema mecnico.



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Captulo I: Ensayos no destructivos (END).

Los ensayos no destructivos corresponden a mtodos de inspeccin, utilizados paradetectar fallas superficiales e internas en los materiales, soldaduras, componentes ypartes de mquinas. La cantidad de materiales que pueden ser inspeccionados con estastcnicas es muy diversa, pudiendo ser utilizada tanto en metlicos como no-metlicos.

Los ensayos son realizados bajo estndares y procedimientos descritos en las principalesnormas y cdigos de fabricacin, tales como ASME, ASTM, AWS y el API.

Ensayos no destructivos ms utilizados en la inspeccin de materiales.

Dentro de los ensayos no destructivos ms utilizados para detectar fallas en los materialesse encuentran los siguientes:



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Lquidos penetrantes.

Mtodo utilizado para detectar fallas superficiales de una pieza.

Este ensayo consiste en cubrir la superficie de la pieza con una solucin coloreadao fluorescente.

El exceso de solucin se elimina de la superficie, y se aplica un revelador. Esteacta como secante, destacando fcilmente las imperfecciones superficiales, yasea por la aparicin de vivos colores como por la fluorescencia despus de aplicarluz UV.

Es vlido para todo tipo de materiales (metales, cermicos, vidrios, polmeros, etc).

Figura 1.1: Procedimiento aplicacin lquidos penetrantes.



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Partculas magnticas.

Este mtodo se lleva a cabo induciendo un campo magntico a un materialferromagntico, y entonces espolvoreando en la superficie partculas de hierro. Lasimperfecciones superficiales modifican el campo magntico y las partculas dehierro se concentran en los defectos.

Solo utilizable materiales ferromagnticos.

Solo detecta defectos superficiales o internos perpendiculares a las lneas decampo magntico.

Figura 1.2: Partculas magnticas.



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Radiografas.

Implica la utilizacin de radiacin gamma o rayos-X (muy penetrantes) paraexaminar los defectos internos.

Se requieren mquinas con fuentes de radiacin que atraviesan el material yproducen una imagen negativa en una pelcula o film. La radiografa muestra la

solidez interna de los materiales examinados. Las posibles imperfecciones semuestran como cambios en la densidad en la pelcula de la misma manera que seaprecian los huesos rotos.

Figura 1.3: Radiografas.



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Ultrasonidos.

Este mtodo se basa en la medicin de la propagacin del sonido en el medio queconstituye la pieza a analizar y tiene aplicacin en todo tipo de materiales.

Sus distintas tcnicas permiten su uso en distintos campos de ensayos no destructivoscomo: Control de calidad, mantenimiento preventivo y estudios de integridad estructural,siendo muy utilizados en la aeronutica por su precisin para determinar pequeas fisurasde fatiga en, por ejemplo, trenes de aterrizaje, largueros principales, blocks de motores,bielas, etc. La manifestacin de estas y otro tipo de fallas es la interpretacin,generalmente en un osciloscopio, lo cual lo distingue de otros mtodos, ya que no nospresenta un cuadro directo de las fallas, como en el caso de las pelculas radiogrficas.Esto trae aparejado que los resultados de este ensayo no constituyan de por si undocumento objetivo sino una informacin subjetiva, cuya fidelidad no puede comprobarsesin recurrir, a menudo, a otros medios. Por lo tanto requiere un conocimiento profundo,tanto de las bases del mtodo como del dominio de la tcnica, por parte del operador.

Figura 1.4: Ejemplos de aplicacin Ultrasonidos.



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Clasificacin de los ensayos no destructivos (END).

Los END pueden ser clasificados segn la posicin en que se encuentre la discontinuidadque se desee encontrar, por lo que se clasifican en:

END Superficiales: Entregan informacin acerca de las discontinuidades superficiales enlos materiales inspeccionados.

END de Hermeticidad: Entregan informacin relativa del grado en que pueden sercontenidos los fluidos en recipiente sin que escapen a la atmosfera.

END Volumtricos: Entregan informacin de la integridad interna de los materialesinspeccionados.

Tabla 1.1: Clasificacin de los tipos END segn la posicin de la discontinuidad.

Clasificacinde END

END Superficiales END deHermeticidad

END Volumtricas

Mtodos deEND

VT-Inspeccin visual.PT-Lquidospenetrantes.PM-Partculasmagnticas.

ET-Electromagnetismo.

LT-Pruebasde fuga.Pruebas deburbuja.Pruebas de

presin.

RT-Radiografaindustrial.UT-ultrasonidoindustrial.

AE-Emisin

acstica. Fuente: Seminario: Aplicacin del ultrasonido a control de calidad de proceso de soldadura.



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Tabla comparativa entre los tipos de ensayos no destructivos.

Tabla 1.2: Ventajas y desventajas de diferentes tipos de ensayos no destructivos.

Mtodos END Ventajas Desventajas

VT -Bajo costo.-Equipos simples.-Mnimas competencias deinspector.

-Condiciones superficiales.-Requiere de fuente luminosa.-Accesibilidad compleja.

PT -Sensibles a discontinuidadesabiertas.-Fcil de operar.-Econmico.

-Inspectores con experiencia.-superficie limpia.-No apto para superficiesporosas.

PM -Rpido y econmico.-Menor grado de limpieza.-Revela discontinuidades en lasuperficie.

-Equipo caro.-Requiere de energa elctrica.-No tiene gran capacidad depenetracin.

ET -Evaluacin instantnea.-Evaluaciones detalladas.-No utiliza el contacto pararealizar el ensayo.

-Requiere superficie accesible.-Lmite de 6mm de profundidadde grietas.-Aplicable solo a materialesconductores de electricidad.

RT -Para diversos materiales.-Descubre errores de fbrica.-Se obtiene una imagen visualinterior del material.

-Personal capacitado yexperiencia.-Altas medidas de seguridad.-No se aplica en geometrascomplejas.

UT -Deteccin sub-superficial.-Resultados inmediatos.-Alta capacidad de penetracin.

-Costo elevado de equipo.-Personal calificado yexperiencia.-No apto para superficiesdelgadas.

AE -No invasiva.-Deteccin temprana de fisuras.-No se requiere limpieza.

-Personal de alto nivel deentrenamiento.-Es afectada por el ruido defondo.-El tanque debe ser aislado 24horas antes de la inspeccin.

LT -Sencillo, rpido y econmico.-Evaluacin independiente deloperador.-N reducido de herramientas.

-Modificaciones trmicas yelsticas afectan el resultado dela medicin.-Resolucin de la diferencia depresin utilizable est en funcinde volumen y presin.

Fuente: Seminario: Aplicacin del ultrasonido a control de calidad de proceso de soldadura.



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Captulo II: Propagacin de ondas.

Nociones de acstica.

Con la finalidad de obtener un mejor entendimiento de los fenmenos que comprenden losensayos no destructivos de ultrasonido, se explicaran los principios bsicos de la fsica dela propagacin de ondas y la acstica. Para esto no se utilizara el concepto de que loscuerpos son perfectamente rgidos, sino el modelo que describe a la materia, como unaformacin de pequeas partculas cuya forma de distribucin y fuerza de atraccindepende del estado en que se encuentra dicha materia. Estos estados son los siguientes:

Slido: Est formado por molculas fuertemente atradas entre si y que seencuentran en forma regular y geometra en posiciones de equilibrio. Estas fuerzasde atraccin son del tipo elsticas, es decir, que mientras no se sobrepase elllamado Limite de elasticidad, las deformaciones que se produzcan no seran

permanentes

Lquido: Cuando al suministrar calor a un slido se rompe el estado de equilibrioentre sus molculas, y este pasa a estar en estado lquido. Las molculas en elestado lquido ocupan posiciones al azar que varan con el tiempo. Las distanciasmoleculares son constantes dentro de un estrecho margen.

Gaseoso: Si se continua aplicando calor a un lquido, las molculas se aceleranabandonando al lquido y formando el gas. Este estado de la materia no tiene formani volumen propio, ya que su principal composicin son molculas no unidas,expandidas y con poca fuerza de atraccin, haciendo que no tengan volumen yforma definida, provocando que este se expanda hasta ocupar todo el volumen delrecipiente que lo contiene.

Dicho esto, si tomamos un slido y provocamos en l una perturbacin (golpe)produciremos una agitacin de sus molculas que se propagar por el slido hasta susextremos, es a este fenmeno que se le llama Onda. Este tipo de onda puede serprovocado en cualquier medio que sea elstico, es decir, que cumpla con la ley de Hooke.



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Principios de la acstica.

Oscilacin: Es el cambio peridico de la condicin o el comportamiento de un cuerpo.

Onda: Es la propagacin de una oscilacin y sucede cuando las partculas de un materialoscilan transmitiendo su vibracin a la adyacente.

Perodo ( T ): Tiempo necesario para llevar a cabo una oscilacin.

Frecuencia (f ): Cantidad de oscilaciones que ocurren en una unidad de tiempo, o sea, lainversa del periodo.

Amplitud (A ): Es la mxima desviacin de oscilacin, si esta es constante en el tiempo la

oscilacin se considera sin amortiguamiento (materiales perfectamente elsticos), encambio si esta decrece con el tiempo, la oscilacin se considera como amortiguada, eneste caso la disminucin de dicha amplitud se debe a la disipacin de energa (materialesque no son perfectamente elsticos).

Amortiguacin: es el decrecimiento en el tiempo de la amplitud de una onda.

Velocidad de propagacin ( V ): Es la velocidad a la que se propaga la onda, esta

depende de las propiedades del medio (material) en el que se desplaza la onda.



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Longitud de onda () : es la distancia real que recorre una oscilacin (una onda) en undeterminado intervalo de tiempo. Ese intervalo de tiempo es el transcurrido entre dosmximos consecutivos de alguna propiedad fsica de la onda.

Figura 2.1: Descripcin de una Onda.

Por lo tanto, si la onda se propaga con una velocidad V, se tiene:

=

O en funcin de la frecuencia:

= /



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Frente de onda: es el lugar geomtrico en que los puntos del medio de propagacin sonalcanzados en un mismo instante por una determinada onda. Ya sea que una onda estepropagndose por el espacio o sobre una superficie, los frentes de onda puedenvisualizarse como superficies o lneas que se desplazan a travs del tiempo alejndose desu fuente sin tocarse.

Figura 2.2: Frente de onda.

Tipos de ondas.

Las ondas pueden ser propagadas de distintas maneras, correspondiendo cada una deellas al movimiento particular de los elementos del medio:

Ondas longitudinales: Este tipo de ondas el movimiento de las partculas en el medio esparalelo a la direccin de propagacin, por ejemplo la propagacin del sonido.

Figura 2.3: Ondas longitudinales.

Frente de onda

Propagacin



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Ondas transversales: En este caso el movimiento de las partculas es perpendicular a ladireccin de la onda, por ejemplo el movimiento de una soga al agitarla.

Figura 2.4: Ondas Transversales.

Ya que los lquidos y gases no ofrecen ninguna resistencia a los esfuerzos de corte, lasondas transversales no pueden ser propagadas en estos medios, por ende solo las ondaslongitudinales pueden propagarse en lquidos y gases. En cambio en los slidos puedenpropagarse tanto las ondas transversales como longitudinales y sus combinaciones.

Propagacin



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Ondas superficiales o de Rayleigh: Son ondas que se propagan sobre las superficies delos slidos de espesores relativamente gruesos penetrando aproximadamente unalongitud de onda. Estas poseen la particularidad de que el movimiento de las partculas esuna combinacin de ondas transversales y longitudinales, formando una elipse donde elmayor eje es el perpendicular a la direccin de propagacin de onda. Estas ondas sonutilizadas en el mtodo de ultrasonido porque son particularmente sensibles a defectossuperficiales, y son capaces de copiar las posibles curvas que dichas superficies posean.

Figura 2.5: Ondas superficiales o de Rayleigh.



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Ondas LAMB: Las ondas Lamb aparecen en cuerpos cuyo espesor es del mismo ordenque una longitud de onda, por ejemplo en chapas delgadas. Estas se propagan paralelas ala superficie a travs de todo el material. Son muy influenciadas por el espesor del materialy la frecuencia de movimiento.

Se generan cuando ingresan en el material a un ngulo de incidencia en el cual lacomponente de la velocidad paralela a la superficie de la pieza es igual a la velocidad depropagacin del sonido en el mismo material, pudiendo viajar distancias de metros.

El movimiento de las partculas es similar al movimiento elptico descrito anteriormente,generando dos modos principales de vibracin; modo simtrico o extensional (movindoseparalelas a la superficie respecto al plano medio) y el anti simtrico o flexional (el mayor

movimiento de las partculas es perpendicular alas superficie).

Figura 2.6: Ondas LAMB.

Ondas de torsin: Este tipo de ondas puede propagarse en cuerpos con formas debarras, estas son oscilaciones rotacionales alrededor del eje longitudinal de la barra y ladireccin de propagacin se sita en la direccin del eje de la barra.



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Ondas sonoras.

Propagacin del sonido.

El sonido se propaga en forma de ondas, y lo que diferencia a las ondas de sonido con lasllamadas ondas electromagnticas (luz, rayo X, Gamma, etc.) es que el sonido requiere deun medio para propagarse (ya sea slido, liquido o gaseoso), mientras que las ondaselectromagnticas pueden propagarse en el vaco.

Impedancia acstica.

Como ya se mencion el sonido viaja a travs de los materiales por medio del movimientode molculas unidas elsticamente. Por lo tanto se define la impedancia acstica ( Z )como a la resistencia que opone el medio a la propagacin de las ondas, siendo igual alproducto de la densidad del medio por la velocidad de propagacin de la onda en dichomedio. Por lo que un material que posea baja impedancia acstica tendr una bajaresistencia a las deformaciones elsticas productos de las ondas sonoras.

Funcin para la impedancia acstica:

= : Densidad del material.

: Velocidad de propagacin en el medio.

La impedancia acstica es utilizada en:

La determinacin de la transicin y reflexin acstica en la superficie de contacto delos materiales que poseen distintas propiedades.

El diseo de los cabezales ultrasnicos.

Evaluacin de la capacidad de absorcin del sonido en el medio.



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Frecuencias.

No todo el rango de frecuencias es audible para el ser humano, solamente un rangocomprendido entre los 16 Hz y 20 kHz es audible para las personas.

Rangos de inters:

Subsnico: f < 16 Hz, en este rango no se escucha ningn tono, solo es perceptiblela presin.

Snico: 16 Hz f 20 kHz, Rango audible por el ser humano.

Ultrasnico:f> 20 kHz.

Las frecuencias utilizadas en los ensayos de ultrasonido van desde los 0.5 a 25 MHz.

Velocidad de propagacin.

La velocidad de propagacin de estas ondas (velocidad del sonido) en los slidos dependedel mdulo de elasticidad o de Young y de la densidad del medio. Partiendo de laecuacin diferencial de una onda longitudinal:

= Dnde:

: Mdulo de elasticidad o mdulo de Young.

: Densidad del material.

Por lo tanto se tiene que la velocidad de propagacin longitudinal es:

=



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Considerando la relacin de Poisson:

= 1 (1+ ) (1 2 ) Por lo que se puede concluir que la velocidad del sonido no depende de la amplitud ni dela frecuencia, sino del medio en que se propaga.

Para una onda transversal, su velocidad es aproximadamente la mitad de las ondaslongitudinales y est dada por:

= / Siendo:

: Densidad del material.

G: Mdulo de corte.

En cuanto a las ondas superficiales, siendo estas un caso especial de las transversales,es aproximadamente:

= 0.9 La velocidad de propagacin de las ondas de Lamb y las de torsin, no dependensolamente de las constantes del material dadas anteriormente, sino que tambin de lasdimensiones del mismo, del tipo de onda y de su frecuencia.



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Descomposicin de ondas.

Las ondas sonoras, dentro de un medio, sufren los siguientes fenmenos:

Reflexin: esta se produce cuando la onda incide sobre una superficie de propiedadeselsticas distintas al medio en que se propaga, provocando que parte de la de la energasea reflejada por esta superficie en direccin que forma, con la normal de la superficie elmismo ngulo que la onda incidente.

Figura 2.7: Reflexin.

Refraccin: La energa de la onda que no fue reflejada, penetra en el segundo medio condireccin distinta a la onda incidente, pero tal que la relacin entre los senos de losngulos, respecto a la normal sea constante.

Figura: 2.8: Refraccin.



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Captulo III: Generacin del ultrasonido.

Existen diversas formas para producir ondas ultrasnicas, aprovechando distintosfenmenos fsicos, algunos de los cuales son usados en END, dependiendo de lafrecuencia requerida y del rendimiento que se desee. El concepto bsico es el de laconversin de impulsos elctricos en vibraciones mecnicas y el retorno de vibracionesmecnicas a energa elctrica.

Estos mtodos se pueden clasificar en:

Procedimientos mecnicos.

El principio es el mismo que se emplea para generar sonido audible. Son dispositivos quese construyen para que sea capases de vibrar con una frecuencia propiacorrespondientemente alta. Este procedimiento no se utiliza en la rama de los ensayos nodestructivos.



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Efecto magnetoestrictivo .

Consiste en aprovechar la propiedad que tienen algunos materiales ferro magnticos, decontraerse o expandirse en determinada direccin cuando estn sometidos a la influenciade campos magnticos en condiciones especiales. Este efecto es reciproco, lo quepermite a si vez emisin y recepcin de las ondas ultrasnicas.

Figura 3.1: Efecto magnetoestrictivo.



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Efecto piezoelctrico.

Este esfecto es el utilizado casi universalmente para el ensayo no destructivo de losmateriales. Los elementos utilizados son una pieza de material polarizado con electrodosadheridos a dos de sus caras opuestas. Cuando un campo elctrico es aplicado a lo largodel material, las moleculas polarizadas se alinearn con el campo resultando un dipoloinducido en la estructura cristalina. Esta alineacin de las moleculas causar un cambiodimencional, llamado electrostriccin. A su vez puede darse la accin opuesta, es decir,producir un campo elctrico cuando cambian de dimensin.

Figura 3.2: Efecto piezoelctrico.

Entre los materiales ms conocidas en la utilizacin de cristales para los tranductores seencuentran los siguientes:

Cuarzo: Fue el primer material utilizado. Tiene caracterizticas muy estables enfrercuencia, sin embargo es pobre en la generacin de energa acstica y, comunmente,

reemplazado por meteriales mas eficientes.

Sulfato de litio: Es muy eficiente como receptor de energia acustica, pero es muy fragil,soluble en agua y si uso es limitado a temperaturas por debajo de los 75C.

Ceramicas sintetizadas: Producen generadores de energia acstica ms eficientes perotienen tendencia a desgastarse.



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Generalmente el espesor del elemento activo (crital) empleado es determinado por lafecuencia de utilizacin del transductor. Cuando ms altas son las frecuencias requeridas,ms delgados sern los critales utilizados.

El mtodo de generacin de ultrasonido permite alcanzar frecuencias de hasta 25MHz.

Deteccin de defectos por ultrasonido.

La forma en que el ultrasonidos es utilizado para detectar fallas y discontinuidades en elmaterial, consiste intruducir un conjunto de ondas de alta frecuencia en un determinadomaterial, estas ondas viajan a travs del material y son en parte reflejadas al propagarsepor un medio distinto. El grado de refleccin depende en gran parte del estado fsico delos materiales que forman la interface. Por ejemplo, en el caso que el haz de ultrasonidopase de un medio slido a uno gaseoso la reflexin de ste ser prcticamente totalfacilitando la deteccin de grietas, laminaciones, poros, socavados y otrasdiscontinuidades que producen interfaces del tipo metal/gas.

Por otra parte, si la onda sonora pasa de un medio solido a otro en el mismo estado, lareflextividad de sta ser parcial, generando una respuesta de menor energa, pero detodas formas detectable.

Figura 3.3: Deteccin de defectos por ultrasonidos.



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Captulo IV: Ultrasonido Phased array.

El Phased array es una tcnica de inspeccin por ultrasonido computarizadas de ltimageneracin que deja registro y tiene alta probabilidad de deteccin, alta precisin en laevaluacin de defectos y garantiza repetitividad.

Los principios fsicos de funcionamiento son similares al ultrasonido convencional pulso-eco, con la diferencia que se pueden controlar parmetros mediante software como:

ngulo de refraccin.

Punto de salida del haz.

Enfoque en una zona determinada.

Entre Otros.

En el sentido ms bsico un arreglo de faces (Phased Array) utiliza los principios fsicos dela onda de corte o presin, de tal manera que una serie de pulsos ultrasnicos genera unfrente de onda lineal o acimutal (sectorial) excitando los elementos a diferente tiempo(Delay), dichos pulsos ultrasnicos retornarn si encuentran un punto o rea de reflexin

dentro del material y sern captados por los elementos en su tiempo de entrada (leyfocal).

Figura 4.1: Phased Array.



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Ventajas de Phased Array respecto al UT convencional.

Permite un barrido electrnico sin necesidad de mover el palpador de maneraascendente y descendente.

Inspeccin simultnea con mltiples ngulos y grupos usando un solo transductor.

Permite la inspeccin en un rea determinada.

Permite el control de las caractersticas del haz ultrasnico a travs de laconfiguracin de las leyes focales.

Facilita la inspeccin de materiales con geometras complejas.

Genera un registro de la inspeccin totalmente auditable.

Diferencias entre Phased Array y UT convencional.

Tabla 4.1: Diferencias entre Phased Array y UT.

Phased Array. UT convencional.Utiliza varios elementos piezoelctricos. Utiliza un solo elemento piezoelctrico.Usa mltiples ngulos de inspeccincon una sola zapata.

Cada ngulo de inspeccin requiereuna zapata con el ngulo deseado.

Se detectan discontinuidades conbarridos electrnicos.

La deteccin de una discontinuidad sebasa en la orientacin manipulacin deltransductor y habilidad del especialista.

Fuente: elaboracin propia.



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Formacin del Haz.

Variando el tiempo de retardo de cada elemento piezoelctrico se pueden obtenerdiferentes formas del haz utilizando un mismo transductor.

Figura 4.2: Tipos de haz en Phased Array.



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Modos de barridos electrnicamente controlados.

Tabla 4.2: Modos de barrido en Phased Array.

Barrido sectorial. Barrido lineal.

Permite un barrido por rango dengulos.

Genera una inspeccinvolumtrica con barridoelectrnico.

Permite un barridoelectrnico en una banda dengulos deseado.

Fuente: Elaboracin Propia.



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Reflexin de la onda acstica en modo Phased Array.

La reflexin de la onda acstica en modo Phased Array corresponden a las proyeccionesdel haz, estas salen desde el palpador y continan hasta reflejarse, ya sea con el fondodel material a inspeccionar o con alguna discontinuidad ubicada dentro del volumen delmaterial. En la figura 4.3 se puede observar una esquematizacin de lo que ocurrerealmente en la inspeccin y lo que muestra la pantalla en modo Phased Array.

Figura 4.3: Proyecciones piernas en modo Phased Array.

Proyeccin de la onda

acstica en la placa (PA)

Antes de Reflexin

1 Reflexin

2 Reflexin

Presentacinen pantalla delo quemuestra elPHASED



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Captulo V: Equipo Olympus EPOCH 1000i.

El equipo EPOCH 1000i es un detector de defectos digital por ultrasonidos, con laparticularidad de integrar la capacidad de deteccin de los ultrasonidos convencionalescon el modo de representacin Phased Array. Este equipo est dotado de avanzadasherramientas de software que facilitan la deteccin y clasificacin de fallas ydiscontinuidades segn las principales normas vigentes. El EPOCH 1000i tambin secaracteriza por ser porttil y resistente, lo que facilita su uso en distintos lugares y bajocondiciones de intemperie, ya que posee resistencia al polvo, los golpes y a la lluvia.

Figura 5.1: Equipo EPOCH 1000i



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Descripcin del equipo.

Panel de control.

El equipo EPOCH 1000i posee en el frente un panel de control con todos los botonesnecesarios para la operacin de este, en la figura 5.2 se puede observar un esquema quedetalla la ubicacin y funcionalidad de cada uno de los controles del Equipo.

Figura 5.2: Vista frontal Equipo EPOCH 1000i y descripcin de sus controles.



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Conectores.

El equipo EPOCH 1000i cuenta con distintos tipos de conectores con la finalidad deasegurar la capacidad de ste para enlazarse con otros dispositivos, como computadoras

y codificadores de seal para el uso de los C- scan. En la figura 5.2 se muestra una vistaisomtrica del equipo donde se detalla la ubicacin y clase de los conectores.

Figura 5.2: Vista isomtrica de los tipos de conectores que posee el equipo.



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Pantalla.

La pantalla del equipo EPOCH 1000i, muestra en tiempo real la grfica y medidas de losecos e indicaciones encontradas tanto en el modo de ultrasonidos convencionales comoen Phased Array, tambin provee informacin acerca de la configuracin del equipo yparmetros en los que se est llevando a cabo la inspeccin. En la figura 5.3 se puedeobservar un esquema donde se desglosan las distintas partes de la pantalla principal.

Figura 5.3: Desglose pantalla principal.



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Escalas en pantalla.

Modo Ultrasonidos convencionales.

Figura: 5.4: Escalas en modo UT.

Escala de amplitud: Esta escala esta graduada de 0 a 110 y muestra la amplituddel eco obtenido en porcentaje de altura de pantalla.

Escala de posicin: Esta escala graduada de 0 a 10 y muestra la posicin del ecoobtenido (en este caso profundidad del eco). La graduacin de esta escalarepresenta el rango seleccionado por lo que se puede obtener la profundidadexacta del eco en milmetros.

E s c a

l a d e A m p

l i t u

d

Escala de posicin



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Modo ultrasonidos Phased Array.

Figura 5.5: Escalas en modo Phased Array.

Escalas de posicin: En el modo Phased Array, la imagen representa la seccintransversal del elemento que se est inspeccionando, esto es una representacinbidimensional de la seccin, por lo que se hace necesario tener una escala para laposicin en el eje horizontal y otra en el eje vertical. Estas escalas se gradanautomticamente al seleccionar el rango, y muestran las distancias en milmetros

desde el palpado hasta la discontinuidad detectada.

Escala de Amplitud: La amplitud del eco en el modo Phased Array se muestra enescala de colores desde blanco a rojo, siendo blanco una amplitud igual a cero, yrojo la amplitud mxima correspondiente a 110% de altura de pantalla.

E s c a

l a d e p o s i c i

n v e r t i c a

l

Escala de posicin horizontal

E s c a l a d e A m p l i t u d .



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Herramientas de software (Estndar).

Clasificacin AWS para la inspeccin de soldaduras.Clculo en tiempo real del valor D para evaluar y catalogar las indicaciones dedefectos segn la norma AWS D1.1/D1.5.

Diagramas DGS/AVG integrados.Tcnica de estimacin de dimensiones de defectos que se sirve de las curvas deatenuacin calculadas para evaluar los defectos potenciales.

Puerta de interfaz.

Esta tercera puerta de medicin es opcional y permite seguir en tiempo real losecos de interfaz variables para estabilizar las mediciones digitales.

Curvas DAC/TVG dinmicas.Esta herramienta permite rpidamente adquirir una curva DAC o crear unaconfiguracin TVG a partir de reflectores conocidos. Esta incluye las curvas DACdel tipo ASME-III, JIS, curvas personalizadas y la tabla TVG.



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Herramientas de software (Opcionales).

E-scan lineal y C-scan.

Esta herramienta de software opcional amplia la configuracin del equipo EPOCH 1000i a16:64, lo cual hace posible el uso del mapeo electrnico E-scan y el mapeo C-scanmanual.

Los E-scan lineales pueden ser generados con palpadores de hasta 64 elementos y unaactiva mxima de 16 elementos. Los datos A-scan pueden ser visualizadossimultneamente con las imgenes E- scan o C- scan.

Los C- scan son generados a partir de la acumulacin de los datos de imagen de los E-scan programados que representan los datos del tiempo de vuelo (TOF) y de la amplitudde dos puertas de medicin. La fuente y el tipo de datos pueden ser modificadosdinmicamente despus de adquirir el escaneo. Los cursores estn disponibles para elanlisis del escaneo.

Figura 5.2: C-Scan en EPOCH 1000i.



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Captulo VI: Tipos de discontinuidades en soldaduras.

A continuacin se presentaran los distintos tipos de discontinuidades que se puedenencontrar en una unin soldada:

Porosidad (Porosity): Discontinuidad del tipo de cavidad formada por gas atrapado durante la solidificacin delmetal de soldadura.

Figura 6.1: Porosidad en soldadura.

Tipos de porosidad:

Porosidad uniformemente dispersa: Es porosidad uniformemente distribuida a lolargo de la soldadura; causada por la aplicacin de una tcnica de soldaduraincorrecta o por materiales defectuosos. Si la soldadura se enfra lo suficientementelento para permitir que la mayor parte del gas pase a la superficie antes de lasolidificacin, habr unos pocos poros en la soldadura.

Porosidad agrupada (Cluster porosity) : Es un agrupamiento localizado deporos. Generalmente resulta por un inicio o fin inadecuado del arco de soldadura.

Porosidad a lineada (Linear porosity): Frecuentemente ocurre a lo largo de lainterface metal de soldadura / metal base, la interface entre cordones de soldadura,

o cerca de la raz de soldadura, y es causada por la contaminacin que provoca elgas por su evolucin en esos sitios.



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Porosidad vermicular o tipo gusanos (Piping porosity): Es un poro de gasalargado. Este tipo de porosidad de soldadura se extiende desde la raz hasta lasuperficie de la soldadura. Cuando uno o ms poros son vistos en la superficie de lasoldadura, un cuidadoso descarne puede tambin revelar porosidad subsuperficial.De todas formas, muchas de las porosidades vermiculares encontradas ensoldaduras no se extienden hasta la superficie.

Inclusiones (Inclusions):

Inclusiones de escoria (Slag inclusions): Son slidos no metlicos atrapadosen el metal de soldadura o entre el metal de soldadura y el metal base. Puedenencontrarse en soldaduras hechas por cualquier proceso de arco. En general, estasinclusiones resultan por fallas en la tcnica de soldadura, en el diseo de la junta talque no permita un acceso adecuado, o en una limpieza inadecuada entre loscordones de la soldadura. Placa radiogrfica mostrando inclusiones de escoriaentre los cordones. Normalmente, la escoria disuelta fluir hacia la parte superior dela soldadura, pero muescas agudas en la interface de metal base y de soldadura, oentre los cordones de soldadura, frecuentemente provocan que la escoria quede

atrapada bajo el metal de soldadura. A veces se observan inclusiones de escoriaalargadas alineadas en la raz de la soldadura, denominadas carrileras (wagon

tracks).

Figura 6.2: Inclusiones de escoria.



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Inclusiones de Tungsteno: Son partculas de Tungsteno atrapadas en el metal desoldadura y son exclusivas del proceso GTAW (TIG). En este proceso, un electrodode Tungsteno no consumible es usado para crear el arco entre la pieza y elelectrodo. Si el electrodo es sumergido en el metal, o si la corriente es fijada en unvalor muy alto, se depositarn gotitas de Tungsteno, o se romper la punta delelectrodo y quedar atrapado en la soldadura.

Fusin incompleta (Incomplete fusion):

Discontinuidad bidimensional causada por la falta de unin entre los cordones desoldadura y el metal base, o entre los cordones de la soldadura. Es el resultado de tcnicade soldadura, preparacin del metal base, o diseo de la junta inapropiados. Entre lasdeficiencias que causan la fusin incompleta se destacan el insuficiente aporte de calor desoldadura, falta de acceso a todas las superficies de fusin, o ambas. El xido fuertementeadherido interferir con una completa fusin, siempre que haya un correcto acceso a lassuperficies de fusin y un adecuado aporte de calor a la soldadura.

Figura: 6.3: Fusin incompleta en soldadura.



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Penetracin incompleta o falta de penetracin (Incomplete joint penetration):

Ocurre cuando el metal de soldadura no se extiende a travs de todo el espesor de la junta. El rea no fundida ni penetrada es una discontinuidad descripta como penetracinincompleta. Esta puede resultar de un insuficiente aporte de calor de soldadura, diseo dela junta inapropiado (por ejemplo demasiado espesor para ser penetrado por el arco, ochanfle insuficiente), o control lateral inapropiado del arco de soldadura. Algunos procesostienen una mayor capacidad de penetracin que otros. Las soldaduras en caeras sonespecialmente vulnerables a este tipo de discontinuidad, dado que el lado interior esusualmente inaccesible. Los diseadores frecuentemente emplean una planchuela derespaldo para auxiliar a los soldadores en tales casos; en ANCAP Divisin

Industrializacin se prohben estos respaldos en caeras. Para juntas soldadas de amboslados, se puede especificar que se remueva el metal de soldadura y el metal base de lasoldadura de raz antes de soldar el otro lado, para asegurarse que all no hay penetracinincompleta. Este procedimiento se denomina en ingls back gouging. La penetracinincompleta tambin causa una fusin incompleta, y por consiguiente en muchascircunstancias ambos conceptos se mezclan.

Figura 6.4: Penetracin incompleta en soldadura.



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Fisuras (Cracks) :

Ocurren en el metal base y en el metal de aporte, cuando las tensiones localizadasexceden la resistencia ltima del material. La mayor parte de las normas utilizadasconsideran que las fisuras son, independientemente de su longitud, defectos y por lo tantouna vez detectadas deben removerse, eliminarse.

Figura 6.5: Fisuras longitudinales.

Figura 6.6: Fisuras transversales y de crter.

Las fisuras pueden clasificarse en:

Fisuras en caliente: Se desarrollan durante la solidificacin y supropagacin es intergranular (entre granos).

Fisuras en fro : Se desarrollan luego de la solidificacin, son asociadascomnmente con fragilizacin por hidrgeno. Se propagan entre y a travsde los granos (inter y transgranular).



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Segn su forma, las fisuras tambin se pueden clasificar en:

Fisuras longitudinales: Son paralelas al eje de la soldadura. En soldadurasde arco sumergido, son comnmente asociadas con altas velocidades y aveces estn relacionadas con problemas de porosidad, que no se muestranen la superficie. Fisuras longitudinales en pequeas soldaduras entregrandes secciones, son frecuentemente el resultado de un alto grado deenfriamiento y de grandes restricciones.

Fisuras transversales: Generalmente son el resultado de esfuerzos debidoa contracciones longitudinales actuando en metales de soldadura de bajaductilidad.

Crteres: Ocurren cuando el arco es terminado incorrectamente.Generalmente tienen forma de estrella. Son superficiales, se forman encaliente y usualmente forman redes con forma de estrella.

De garganta: Son fisuras longitudinales ubicadas en la cara de lasoldadura. Generalmente, pero no siempre, son fisuras en caliente.

De borde: Son generalmente fisuras en fro. Se inician y propagan desde elborde de la soldadura, donde se concentran los esfuerzos de contraccin.

Se inician perpendicularmente a la superficie del metal base. Estas fisurasson generalmente el resultado de contracciones trmicas actuando en lazona afectada trmicamente (ZAT).

De raz: Son longitudinales, en la raz de la soldadura o en la superficie dela misma. Pueden ser fisuras en caliente o en fro. Fisuras bajo el cordn yfisuras en la ZAT: Son generalmente fisuras en fro que se forman en la ZATdel metal base. Son generalmente cortas, pero pueden unirse para formaruna fisura continua. Las que se dan bajo el cordn, pueden convertirse enun serio problema cuando estn presentes: hidrgeno, microestructura pocodctil y altos esfuerzos residuales. Ambas pueden ser fisuras en caliente oen fro. Son encontrados a intervalos regulares bajo la soldadura y tambinpor el contorno de la ZAT donde los esfuerzos residuales son mximos.



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Socavadura / mordedura (Undercut):

Asociadas generalmente con tcnicas inapropiadas y/o corrientes excesivas de soldadura.La socavadura es una muesca o canaleta o hendidura ubicada en los bordes de lasoldadura; Es un concentrador de tensiones y adems disminuye el espesor de lasplanchas o caos, todo lo cual es perjudicial. Pueden darse en la raz o en la cara de lasoldadura.

Figura 6.7: Socavadura en soldaduras.

Concavidad (Underfill):

Se produce cuando el metal de soldadura en la superficie de la cara externa, o en lasuperficie de la raz interna, posee un nivel que est por debajo de la superficie adyacentedel metal base. Cuando el soldador tiene acceso por ambos lados de la soldadura, ocuando se da en la cara externa, esta discontinuidad es fcilmente evitable mediante elrelleno completo de la unin; Por el contrario cuando la concavidad es interna (en la raz)donde el soldador no tiene acceso (por ejemplo en soldadura de caeras), si se tiene que

eliminar debe removerse, descarnarse, por completo la soldadura en esa zona.



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Garganta insuficiente (Insuficient throat):

Puede ser debido a una depresin en la cara de la soldadura de filete, disminuyendo lagarganta, cuya dimensin debe cumplir la especificacin dada por el proyectista para eltamao del filete.

Solape (Overlap) (Metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin fundirlo):

Es la porcin que sobresale del metal de soldadura ms all del lmite de la soldadura o desu raz. Se produce un falso borde de la soldadura, estando el metal de soldaduraapoyado sobre el metal base sin haberlo fundido (como que se derram el metal fundidosobre el metal base). Puede resultar por un deficiente control del proceso de soldadura,errnea seleccin de los materiales, o preparacin del metal base inapropiados. Si hayxidos fuertemente adheridos al metal base, provocarn seguramente esta discontinuidad.Este metal de soldadura, que ha sido derramado sobre el metal base, es unadiscontinuidad superficial que forma un concentrador de tensiones similar a una fisura y,por consiguiente, casi siempre es considerada inadmisible (defecto).

Penetracin excesiva (Excesive penetration):

En una soldadura simple desde un solo lado (tpicamente soldaduras de caeras), estadiscontinuidad representa un exceso de metal aportado en la raz de la soldadura que dalugar a descolgaduras de metal fundido.

Figura 6.8: Penetracin excesiva en soldaduras.



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Captulo VII: Normas para la inspeccin de soldaduras por ultrasonido.

La inspeccin por ultrasonido esta normada por distintas entidades de estandarizacin anivel internacional, cada una de estas define sus distintos protocolos de inspeccin yevaluacin de discontinuidades segn las exigencias y caractersticas del campo deaplicacin que pretendan abordar. Dentro de las sociedades de estandarizacin son:

ASME (American Society of Mechanical Engineers): Asociacin de profesionalesque se encarga de generar cdigos para el diseo, construccin, inspeccin ypruebas para equipos, principalmente calderas y recipientes bajo presin. Este

conjunto de normas tiene aceptacin internacional y es usado en todo el mundo.

AWS (Ameriacan Welding Society): Asociacin encargada de generar cdigospara la realizacin e inspeccin de procesos de soldadura elctrica. As como

ASME, AWS tambin es aceptada y usada a nivel mundial.

API (American Petroleum Institute): El instituto americano del petrleo se

encarga de normar todos los procedimientos asociados a la produccin,refinamiento y distribucin de petrleo y gas natural, como as tambin de laestandarizacin de los procesos constructivos y de control, para el diseo einspeccin de las plantas en que se procesan dichos combustibles fsiles. Cabedestacar que para esto ltimo, API se basa principalmente en los cdigosgenerados por ASME y AWS, ya que su principal objetivo es representar a laindustria petrolera.



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Seleccin de normas a considerar.

Con la finalidad de que los mtodos utilizados en este proyecto para la inspeccin desoldaduras se encuentren enmarcados dentro de la normalizacin vigente, se realiz unestudio de los principales cdigos que rigen la inspeccin ultrasnica (ASME y AWS), contal de definir cul es el protocolo ms adecuado a seguir para la inspeccin de soldaduraspor el mtodo Phased Array.

Determinacin del mtodo Phased Array como mtodo valido para la inspeccin.

En la actualidad ASME y AWS no han establecido un cdigo para la evaluacin desoldaduras utilizando Phased Array, slo aprueban la utilizacin de este mtodoconsiderando que funciona bajo los mismos principios que los ultrasonidosconvencionales. Debido a esto, se har necesario confeccionar un protocolo de inspeccinbasado en la tecnologa Phased Array, y que logre explotar el potencial de lasherramientas de software para evaluacin de discontinuidades que posee el equipoEPOCH 1000i.



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Seleccin del mtodo de evaluacin de discontinuidades (herramienta de software).

El equipo EPOCH 1000i posee dentro de configuracin estndar, herramientas desoftware basadas en las principales normas para la evaluacin de discontinuidades. Estasson:

Herramienta de software Curvas DAC/TVG Dinmicas.

La curva de la correccin de la amplitud en funcin de la distancia (DAC) sirve para trazarvariaciones de la amplitud de reflectores del mismo tamao, pero a distancias diferentes

del palpador. Generalmente, estos reflectores producen diversos ecos de amplitud debidoa la atenuacin del material y a la dispersin del haz acstico durante la propagacin delos ultrasonidos a travs de la pieza bajo ensayo. La curva DAC permite unacompensacin grfica de la atenuacin del material, de los efectos del campo cercano, dela dispersin del haz ultra sonoro y de la rugosidad de la superficie.

Cuando una curva DAC es creada en el EPOCH 1000i, el equipo tambin crea unaconfiguracin TVG (variacin de ganancia en funcin del tiempo). La TVG sirve paracompensar los mismos factores que la curva DAC, pero bajo un aspecto diferente. En vezde trazar una curva que desciende a medida que la amplitud sonora de los picos de losreflectores de referencia atenuada, la configuracin TVG amplifica la ganancia en funcindel tiempo (distancia) para que los ecos de los reflectores de referencia alcancen la mismaaltura en la pantalla (80% de la altura de la pantalla).



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Los equipos de la serie EPOCH 1000 permiten la generacin de curvas DAC/TVGdinmicas del tipo de las normas ASME/ASME III, JIS, como tambin curvaspersonalizadas. Cabe destacar que para lograr la configuracin de estas curvas se debecontar con bloques de calibracin normados en el caso de las curvas tipo ASME y JIS,estos deben ser comprados o fabricados segn las especificaciones de la norma y delmismo material a inspeccionar. En el caso de las curvas personalizadas, se deberfabricar un bloque que asegure una calibracin que cumpla los requerimientos deinspeccin deseados.

Figura 7.1: Curvas DAC/TVG.

Como se puede ver en la figura 7.1 esta herramienta de software fue pensada para serutilizada en modo de ultrasonidos convencionales, ya que para una correcta evaluacin delas discontinuidades se debe tener en pantalla completa la representacin A- Scan.



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Herramienta de software para inspecciones conformes a la norma AWS D1.1/D1.5.

Esta herramienta de los equipos EPOCH 1000i ha sido concebida para las inspeccionesconformes a la norma de soldadura estructural de acero D1.1 (o D1.5) de la AmericanWelding Society. Esta norma permite clasificar las discontinuidades encontradas en lasoldadura. Esta utiliza la siguiente ecuacin para desarrollar los criterios de aceptacin delos reflectores detectados durante la inspeccin:

= (7.1)Dnde:

A= Nivel de indicacin de la discontinuidad (dB)B= Nivel de la indicacin de referencia (dB)

C= Factor de atenuacin: 2*(trayectoria acstica en pulgadas-1 pulgada) (dB)

D= Clasificacin de la indicacin (dB)

En inspecciones conformes a la norma AWS D1.1, se debe verificar la clasificacin de laindicacin D (calculada en funcin de A, B y C) en la tabla de criterios de aceptacin y

rechazo para inspecciones por ultrasonidos, elaborada por la AWS para estimar laseveridad de las discontinuidades encontradas.

Esta herramienta de software cuanta con una calculadora para la indicacin D, que

previa calibracin y definicin de la indicacin de referencia B permite observar entiempo real durante la inspeccin el valor de clasificacin de la indicacinD, esto facilitala evaluacin evitando que se deba calcular de forma manual cada indicacin.

Seleccin de herramienta de software a utilizar en la inspeccin.



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Se decide utilizar la herramienta de software para inspecciones conforme a la norma AWSD1.1/D1.5 por sobre las Curvas DAC/TVG, por los siguientes motivos:

La norma AWS fue concebida especialmente para la inspeccin y evaluacin de

soldaduras. En la herramienta de software AWS, el valor de las indicaciones (A, B, C y D), son

mostradas en la parte superior de la pantalla, sin hacer necesario que se debaeliminar la imagen de representacin de S-scan durante la inspeccin.

El mtodo Phased Array potencia esta herramienta, ya que el escaneo sectorialpermite una mejor y ms rpida identificacin y ubicacin de las discontinuidades.

La confeccin de las curvas DAC/TVG requiere de bloques de calibracinespecficos para cada material.

Figura 7.2: Herramienta de software AWS D1.1.



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Captulo VIII: Requisitos y mtodo de inspeccin segn norma AWS D1.1 utilizandoPhased Array.

A continuacin, se confeccionar un mtodo de inspeccin y evaluacin de soldaduras,que combine lo estipulado en la norma AWS D1.1 seccin 6 parte F (Inspeccin porultrasonido de soldaduras de ranura) y la capacidad del Equipo EPOCH 1000i de realizarinspecciones mediante Phased Array. Como tambin se expondrn los requisitos a teneren cuenta para realizar una ptima inspeccin.

Requisitos estipulados en cdigo AWS D1.1.

Esta norma establece una serie de exigencias que se deben tomar en cuenta para poderaplicar este cdigo en la inspeccin y evaluacin de soldaduras. Estos requisitos vandesde los estndares de inspeccin hasta la calificacin de los inspectores, pero el queinteresa a este proyecto es el artculo 6.22 Equipo ultrasnico de la norma AWS D1.1, el

cual menciona las capacidades necesaria que debe tener el equipo de ultrasonido parapoder realizar inspecciones basadas en el cdigo AWS con l, a continuacin se resumenestos requisitos:

Articulo 6.22 Equipo Ultrasnico 1.

6.22.1 Requisitos del equipo: El instrumento debe ser del tipo pulso-eco,adecuado para operar con transductores que oscilan a frecuencias entre 1 y 6 MHz.

6.22.2 Linealidad horizontal: La linealidad horizontal debe ser calificada sobre ladistancia total de la trayectoria acstica.

6.22.3 Requisitos para los instrumentos de inspeccin: Los equipos debencontar con estabilizacin interna para que al calentarse no ocurra una variacin dela respuesta mayor a 1dB.

1 Algunos artculos fueron obviados por no aplicarse al uso del mtodo Phased Array.



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6.22.4 Calibracin de los instrumentos de inspeccin: El instrumento debecontar con ganancia ajustable en pasos de 1 o 2 dB, dentro de un intervalo de almenos 60 dB.

6.22.5 Rango de pantalla : El rango de amplitud de la pantalla debe ser tal que sedetecten diferencias de 1 dB.

6.22.7 Palpadores de Haz angular: Los palpadores de Haz angular deben consistirde un transductor y una zapata angular.

6.22.7.7 Bloque IIW: El proceso de calibracin debe llevarse a cabo usando unbloque de referencia IIW.

Nota : El Equipo ultrasnico Olympus serie EPOCH 1000i cumple con los requisitos

expuestos en este captulo.



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Mtodo de inspeccin y evaluacin segn norma AWS D1.1 utilizando Phased Array.

Con la finalidad de poder explorar las capacidades de inspeccin que entrega el modoPhased Array, sin desestimar lo estipulado por la normativa a aplicar, se generar unprotocolo de inspeccin y evaluacin que logre combinar ambas funciones. A continuacinse explicar los pasos a seguir para realizar una inspeccin bajo las consideracionesrecin mencionadas:

Delimitacin de la zona de barrido.

La norma AWS establece una funcin que permite delimitar la zona de barrido, paraasegurar que el haz de ultrasonido incida sobre el cordn de soldadura y no sobre elmaterial base. Esta funcin depende del ngulo de la zapata y del espesor del material:

= 2 (8.1)Dnde:

: Distancia de barrido (mm).

: Espesor del material (mm).

: Angulo de la zapata ().



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Como se muestra en la figura 8.1 la zona de barrido se debe delimitar entre las distanciasSD y SD/2.

Figura 8.1: Zona de barrido.

Como en el modo Phased Array, el escaneo no es en un ngulo determinado sino en unrango angular, se puede tomar el ngulo correspondiente a ley focal seleccionada paradeterminar la zona de barrido, cabe destacar que en el modo Phased Array la delimitacinde esta zona es slo para ser usada como referencia por el inspector, ya que en unescaneo sectorial es ms fcil apreciar la ubicacin de una discontinuidad haciendo de lazona de barrido menos necesaria para realizar la inspeccin.



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Calibracin y utilizacin de la herramienta de software AWS D1.1/D1.5.

Calibracin del equipo con palpador angular en modo Phased Array.

Antes de comenzar cualquier tipo de inspeccin el equipo debe ser calibrado, siguiendolos procedimientos normados para esto. Cabe destacar que las calibraciones son propiaspara cada material a inspeccionar, por lo que si se cambia de material se debera realizaruna nueva calibracin con un bloque de calibracin del mismo material que serinspeccionado.

Calibracin de la velocidad.

Pulse la tecla [Range] e introduzca la distancia de calibracin, para el bloque IIW,250mm.

Seleccione 1/5> PA CAL> Calibracion = CAL Velocidad, para calibrar la velocidadde la onda ultrasnica.

Pulse la tecla [Angle] y ajuste la ley focal (angulo) seleccionada a 45. Coloque el palpador en la marca del bloque de calibracin, como se muestra

en la figura 8.2.

Figura 8.2: Bloque de calibracin IIW.



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Mueva el palpador hacia adelante y hacia atrs hasta que el eco alcanze sumxima amplitud. Asegurarse de que los ecos no sobrepasen el 100 % de la alturade pantalla. De ser necesario ajuste la ganancia presionando la tecla [2nd] > [Auto%].

Pulse la tecla [GATE] y coloque la puerta 1 sobre el primer eco de fondo. Ajuste la ganancia para que el eco de fondo tenga una amplitud de

aproximadamente el 80% de la altura de la pantalla (Esto se logra presionando [2nd]> [Auto %]), como se ve en la figura 8.3.

Figura 8.3: Posicin de la puerta sobre primer eco de fondo.



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Al estabilizarse la seal seleccione 1/5> PA CAL > Profundidad 1 . La imagen secongelar, y se abrir un cuadro de dilogo que pide que se ingrese el valor de laprofundidad 1 (Ver figura 8.4).

Figura 8.4: Cuadro de dilogo Indique el valor de profundidad.

Ingrese el valor de profundidad 1, para el bloque IIW es de 100mm. Mantenga el palpador en la marca del bloque. Pulse la tecla [GATE] y coloque la puerta 1 de manera que el segundo eco de

fondo sobrepase el umbral de la puerta (ver figura 8.5). En el bloque IIW estadistancia corresponde aproximadamente a 225 mm.



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Figura 8.5: Puerta sobre segundo eco de fondo.

Ajuste la ganancia e modo que la amplitud del eco alcance aproximadamente el80% de la altura de la pantalla.

Cuando la lectura se estabilice, seleccione 1/5> PA CAL > Profundidad 2 . Aparecer un cuadro de dilogo que pide que se ingrese el valor de la profundidad

2, para este bloque el valor es de 225 mm. Ingrese el valor de la profundidad 2 y presione continuar para terminar la calibracin

de velocidad.



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Calibracin del Cero o retardo de la zapata.

Ubicar el palpador sobre la marca del bloque de calibracin. Ajuste el ngulo a 45

Ajustar el Rango de manera que se logre observar el primer Eco de fondo. Seleccione 1/5 > PA CAL > Calibracin = CAL Zero. Utilizando la tecla[GATE]mover la puerta 1 sobre el primer eco de fondo. Ajustar la ganancia para que la amplitud del eco sea de aproximadamente del 80%

de la altura de la pantalla. Seleccione 1/5 > PA CAL > iniciar . La imagen se congelar y aparecer el cuadro

de dilogo Ingrese el valor para CAL Zero. (Para este bloque es de 100 mm), yseleccione continuar.

El A-Scan a la izquierda de la pantalla desaparecer para ser reemplazado por unagrfica con una lnea amarilla que representa la lectura del espesor, como muestra lafigura 8.6.

Figura 8.6: Calibracin del Zero.



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De ser necesario mover el palpador hacia adelante y atrs, con tal de hacer que lalnea amarilla quede lo ms recta posible.

Seleccionar 1/5 > PA CAL > Hecho, para terminar con la calibracin.

Para activar la herramienta de software AWS.

Para activar esta herramienta en modo Phased Array:

Seleccione 4/5> Opciones de medida>AWS D1.1= Activar.

Una vez activada, el equipo preguntar si se desea calibrar la ganancia de referencia, estaes usada como el indicador B para la clasificacin de la discontinuidad. De no haberla

calibrado con anterioridad deber hacerse al activar la herramienta de software.

Para calibrar la ganancia de referencia.

1. Para esta calibracin debemos tener seleccionada la opcin de ganancia dereferencia.

Presionar el botn [2nd], seguido del botn [dB].

Notar que al hacer esto el indicador de ganancia en la esquina superior derecha dela pantalla cambia a indicador de ganancia de referencia.

2. Al aceptar la calibracin de la ganancia de referencia la imagen de A-scandesaparecer, y ser sustituida con una grfica de calibracin, correspondiente auna lnea amarilla sobre un fondo negro, tal como muestra en la figura 8.7.

3. Luego se deber realizar un barrido sobre un reflector de referencia, este puede ser

un barreno lateral o un eco de fondo. Con el barrido se debe lograr que la lneaamarilla en la grfica de calibracin quede lo ms recta posible, esto para asegurarque la ganancia de referencia sea la misma para todas las leyes focales (ngulos).



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Figura 8.7: Calibracin ganancia de referencia.

4. Al calibrar la ganancia de referencia la herramientas AWS ya est operativa parausarse, y deber mostrar el valor de las indicaciones para la evaluacin en la barrade informacin (parte superior de la pantalla), de no ser as, significa que la barrade informacin no est en modo automtico y deber cambiarse manualmente en lapgina de configuracin de medidas.



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Configuracin de medidas.

Para acceder a la configuracin de medidas.

Seleccione 3/5> Opciones de medidas > Opciones de lectura.

Se desplegar un cuadro de dilogo como en la figura 8.8.

Figura 8.8: Configuracin de medidas.

Donde se debern seleccionar los campos para que se muestren las indicaciones AWS (A,B, C y D) ya que estos cuatro valores debern ser registrados el informe de inspeccin

que se mostrara a continuacin. Se recomienda dejar en la barra de informacin elporcentaje de altura de la pantalla y la trayectoria acstica.



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Inspeccin con la herramienta AWS D1.1.

Una vez el equipo este calibrado y configurado se puede proceder a inspeccionar la pieza,durante la inspeccin se debe tener en cuenta que aunque el equipo se encuentre enmodo Phased Array, la herramienta AWS funciona desde el A-scan, por lo que se debernotar que una discontinuidad que aparezca en el S- scan, puede no generar un eco en el

A- scan si esta no se ubica en la ley focal que se encuentra seleccionada, para solucionaresto slo se debe cambiar la ley focal presionando la tecla ngulo y utilizando la rueda deseleccin para cambiar a la ley focal correspondiente. Una vez obtenido un eco en el A-scan slo se deber mover la puerta sobre este para que el equipo calcule lasindicaciones AWS.

Figura: 8.9: Imagen en representacin Phased array.

Nota : La ley focal seleccionada se muestra como una lnea roja en la imagen S-scan, ver

figura 8.9.



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Clasificacin y evaluacin de discontinuidades.

Clasificacin de discontinuidades.

Una vez obtenidos los valores para las indicaciones AWS, se deber entrar a una de lassiguientes tablas con el valor d.

Tabla 8.1: Criterio aceptacin o rechazo para ultrasonido (soldaduras estticamentecargadas).

Fuente: Norma AWS D1.1.

Tabla 8.2: Niveles de barrido para inspeccin de soldaduras estticamente cargadas.




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Tabla 8.3: Aceptacin o rechazo para ultrasonido (soldaduras Cclicamente cargadas).


Tabla 8.4: Niveles de barrido para inspeccin de soldaduras cclicamente cargadas.




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Evaluacin de discontinuidades.

La aceptacin o rechazo de las discontinuidades est dada segn su clasificacin en lasiguiente tabla:

Tabla: Criterio de aceptacin o rechazo de discontinuidades.

CLASE A(discontinuidades grandes) Se rechaza sin importar su longitudCLASE B(discontinuidades medias) Se rechaza si su longitud es mayor a 20mmCLASE C(discontinuidades pequeas) Se rechaza si su longitud es mayor a 50mmCLASE D(discontinuidades menores) Se acepta sin importar su longitud.


N o t a s :

1. Las discontinuidades clase B y C deben estar separadas por al menos 2L, siendo Lla longitud de la discontinuidad ms larga, excepto que cuando dos o ms de talesdiscontinuidades no estn separadas por al menos 2L, pero la longitud combinadade la discontinuidades y su distancia de separacin es igual o menor que la mxima

permitida, bajo las condiciones de la clase B o C, entonces la discontinuidad debeser considerada como una sola discontinuidad aceptable.

2. Las discontinuidades clase B y C no deben iniciar a una distancia menor de 2L de laorilla de soldaduras que soporten esfuerzos de tensin primaria, siendo L la longitudde la discontinuidad.

3. Las discontinuidades detectadas a nivel de barrido en el rea de raz de lasoldadura con junta de doble ranura con penetracin completa, deben serevaluadas usando una relacin de indicacin de 4 dB ms sensible que como sedescribe en 6.26.6.5, cuando tales soldaduras son designadas como soldaduras detensin (restar 4dB de la relacin de indicacin d). Es to no debe aplicarse se laraz de la junta soldada ha sido esmerilada para remover la cara de la raz y se hausado partculas magnticas para verificar que la raz ha sido removida.

4. Soldaduras aplicadas por electro- escoria o electro gas: Las discontinuidadesdetectadas que excedan de 50mm de longitud debe sospecharse que son el inicio

de porosidad tipo tnel y deben ser evaluadas con radiografa.



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Determinacin de la longitud de las discontinuidades.

Para determinar la longitud de las discontinuidades encontradas la norma AWS, sugiereutilizar el mtodo por cada de amplitud para encontrar los extremos de las fallas. Este

mtodo se basa en la Tcnica de los 6 dB.

Tcnica de los 6 dB.

Esta tcnica es utilizada para determinar la longitud de las discontinuidades, para esto sedebe encontrar el lugar donde la discontinuidad genera la mxima amplitud en el ecorecibido, para luego hacer un barrido hacia los lados y marcar como extremo de ladiscontinuidad el lugar donde la amplitud del eco recibido cae en 6 dB. En la figura 8.10 seesquematiza la forma en la que se realiza esta tcnica.

Figura 8.10: Tcnica de los 6 dB.



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Informe de inspeccin tipo AWS D1.1.

Tras realizada la inspeccin se deber completar el siguiente informe, con tal de dejarregistro de la inspeccin y evaluacin realizada. Este deber ser llenado tanto con

informacin de la inspeccin como tambin de la pieza a inspeccionar y de la calibracinprevia al ensayo.

Ttulo:Cliente: Contrato: Fecha:Proyecto: Pgina:Descripcin de la pieza: Material:

Espesor: Seccin: ANSI/AWS:Tipo de junta: Proceso de soldadura: Plano de ref:Tipo de instrumento: Bloque de calibracin: Procedimiento de ref:

Mtodo de prueba: Haz Recto Haz Angular Acoplante:

Mtodo de preparacin: Esmerilada Mecanizada Cepillada

Rango de barrido (mm): Frecuencia de prueba: 5 MHz - Haz angular

Palpador / zapata:

I t e m

( N d e p

l a c a

)

J u n

t a

A n g u l o

d e

l H a z

L a

d o d e

l e n s a y o

Decibeles (dB) Discontinuidad A B C D

R e c o r r

i d o

d e

h a z

s n

i c o

( D A )

L o n g i t u

d ( m m

)

P r o

f u n

d i d a

d

Distancia

C l a s

i f i c a c

i n

N i v e

l d e

i n d i c a c

i n

N i v e

l d e

r e f e r n c

i a

F a c

t o r d e

a t e n u a c

i n

R a n g o

d e

i n d i c a c

i n

D e s

d e x

D e s

d e y

Resultadode ensayo

Observacin

RechazadoComentarios:

Resultado: Aprobado Rechazado Recomendacin examen complemetario

Inspector

Nombre/Firma

Gestin de calidad

Nombre/Firma

Cliente

Nombre/Firma

Figura 8.11: Informe de inspeccin tipo AWS D1.1.



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Captulo 9: Inspecciones a probetas.

Inspeccin a probetas del kit educacional para ensayos de ultrasonidos.

Para comprobar que el mtodo de inspeccin explicado en el captulo anterior esadecuado para reali

CUROS ENSAYOS

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