1

Detección de discontinuidades y defectos en el hormigón mediante técnicas de Ultrasonido

Roble, D Cátedra de Aplicaciones Industriales del Ultrasonido, Departamento de Electrónica y

Automática, Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de San Juan, Capital San Juan,

Av. Libertador Gral. San Martin 1109, J5400ARL - San Juan

Resumen Este trabajo pretende dejar de manifiesto el procedimiento para la determinación experimental por medio de técnicas no destructivas de las características de una muestra de hormigón. Este estudio puede determinar gracias al análisis de una muestra (probeta) las características de toda una producción de hormigón. Esta determinación es determinante para el correcto desempeño de la estructura o construcción que se va a llevar adelante con dicho material. Introducción

Este método de ensayo no destructivo mediante el uso de ultrasonido se basa en la medición de la propagación del sonido en el medio que constituye la pieza a analizar y tiene aplicación en todo tipo de materiales. Sus distintas técnicas permiten su uso en dos campos de ensayos no destructivos: Control de calidad y Mantenimiento preventivo, siendo en esta última especialidad muy utilizados en la aeronáutica, construcción, industria y afines por su precisión para determinar pequeñas fisuras de fatiga en, por ejemplo, trenes de aterrizaje, largueros principales, blocks de motores, bielas, columnas o vigas estructurales, postes de alumbrado público, etc. La manifestación de estas y otro tipo de fallas es la interpretación, generalmente en un osciloscopio, lo cual lo distingue de otros métodos, ya que no nos presenta un cuadro directo de las fallas, como en el caso de las películas radiográficas. Esto trae aparejado que los resultados de este ensayo no constituyan de por si un documento OBJETIVO sino una información subjetiva, cuya fidelidad no puede comprobarse sin recurrir, a menudo, a otros medios. Por lo tanto requiere un conocimiento profundo, tanto de las bases del método como del dominio de la técnica, por parte del operador.

1. El Hormigón El hormigón o concreto es un material compuesto empleado en

construcción, formado esencialmente por un aglomerante al que se añade partículas o fragmentos de un agregado, agua y aditivos específicos. El aglomerante es en la mayoría de las ocasiones cemento (generalmente cemento Portland) mezclado con una proporción adecuada de agua para que se produzca una reacción de hidratación. Las partículas de agregados, dependiendo fundamentalmente de su diámetro medio, son los áridos (que se clasifican en grava, gravilla y arena).1 La sola mezcla de cemento con arena y agua (sin la participación de un agregado) se denomina mortero. Existen hormigones que se producen con otros conglomerantes que no son cemento, como el hormigón asfáltico que utiliza betún para realizar la mezcla.

2

El cemento es un material pulverulento que por sí mismo no es aglomerante, y que mezclado con agua, al hidratarse se convierte en una pasta moldeable con propiedades adherentes, que en pocas horas fragua y se endurece tornándose en un material de consistencia pétrea. El cemento consiste esencialmente en silicato cálcico hidratado (S-C-H), este compuesto es el principal responsable de sus características adhesivas. Se denomina cemento hidráulico cuando el cemento, resultante de su hidratación, es estable en condiciones de entorno acuosas. Además, para poder modificar algunas de sus características o comportamiento, se pueden añadir aditivos y adiciones (en cantidades inferiores al 1 % de la masa total del hormigón), existiendo una gran variedad de ellos: colorantes, aceleradores, retardadores de fraguado, fluidificantes, impermeabilizantes, fibras, etc. El concreto convencional, normalmente usado en pavimentos, edificios y otras estructuras, tiene un peso específico (densidad, peso volumétrico, masa unitaria) que varía de 2200 hasta 2400 kg/m³ (137 hasta 150 libras/piés3). La densidad del concreto varía dependiendo de la cantidad y la densidad del agregado, la cantidad de aire atrapado (ocluido) o intencionalmente incluido y las cantidades de agua y cemento. Por otro lado, el tamaño máximo del agregado influye en las cantidades de agua y cemento. Al reducirse la cantidad de pasta (aumentándose la cantidad de agregado), se aumenta la densidad. Algunos valores de densidad para el concreto fresco se presentan en la Tabla 1-1. En el diseño del concreto armado (reforzado), el peso unitario de la combinación del concreto con la armadura normalmente se considera 2400 kg/m³ (150 lb/ft³). Dependiendo de las proporciones de cada uno de sus constituyentes existe una tipología de hormigones. Se considera hormigón pesado aquel que posee una densidad de más de 3200 kg/m³ debido al empleo de agregados densos (empleado protección contra las radiaciones), el hormigón normal empleado en estructuras que posee una densidad de 2200 kg/m³ y el hormigón ligero con densidades de 1800 kg/m³ La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), por este motivo es habitual usarlo asociado a ciertas armaduras de acero, recibiendo en este caso la denominación de hormigón armado, o concreto pre-reforzado en algunos lugares; comportándose el conjunto muy favorablemente ante las diversas solicitaciones. Cuando se proyecta una estructura de hormigón armado se establecen las dimensiones de los elementos, el tipo de hormigón, los aditivos y el acero que hay que colocar en función de los esfuerzos que deberá soportar y de las condiciones ambientales a que estará expuesto. 2. Importancia del control sobre la calidad de producción En el proceso de preparado del material, la mezcla está expuesta a varias situaciones que pueden potenciar o debilitar al hormigón.

Las principales propiedades generales que afectan al Hormigón Fresco son:

Trabajabilidad

3

Es la facilidad con la que puede distribuirse el Hormigón dentro de los encofrados. Debe tener la necesaria consistencia, para lo cual afectarán: la cantidad de agua, la forma y medida de los áridos, la cantidad de Cemento, la existencia de aditivos, y la presencia de cenizas. También la correspondiente cohesión, que es la resistencia del material a segregarse. Homogeneidad Se dice del material que tiene las mismas propiedades en todos los puntos. En el Hormigón se consigue mediante un buen amasado y las que afectan al Hormigón Endurecido:

Densidad Es la cantidad de peso por unidad de volumen ( densidad=peso/volumen) Variará con la clase de áridos y con la forma de colocación en obra. La densidad de los Hormigones Ligeros oscilará entre los 200 y los 1500 kg/m3. En los Hormigones Ordinarios: Apisonados: 2000 a 2200 kg/m3 Vibrados: 2300 a 2400 kg/m3 Centrifugados: 2.400 a 2500 kg/m3 Proyectados 2500 a 2600 kg/m3

Los Hormigones Pesados pueden alcanzar los 4000 kg/m3. Este tipo de Hormigón es el utilizado para construir pantallas de protección contra las radiaciones.

Resistencia Mecánica Es la capacidad que tiene el Hormigón para soportar las cargas que se apliquen sin agrietarse o romperse. Es diferente según el tipo de esfuerzos de que se trate: su resistencia a la compresión es unas diez veces mayor que su resistencia a la tracción. Esta baja resistencia a la tracción es la que llevó a incorporar varillas de Hierro o Acero al Hormigón, para conformar el Hormigón Armado. Durabilidad Es la capacidad para resistir el paso del tiempo.

Porosidad La porosidad se considera la proporción de huecos respecto de la masa total. Influye en la resistencia, la densidad, y la permeabilidad del Hormigón.

Permeabilidad Es la capacidad de un material de ser atravesado por líquidos o gases. La impermeabilidad del Hormigón es importante para su resistencia a los ataques químicos. Esta impermeabilidad depende en parte del exceso de agua en el amasado y del posterior curado del Hormigón.

3. Parámetros que influencia la propagación de las ondas ultrasónicas en el concreto.

4

Entre los parámetros que tienen influencia sobre la propagación de la onda ultrasónica se encuentran la falta de homogeneidad del material, influencia que se ejerce en igual medida en la amplitud de la onda así como en el tiempo de viaje de la onda. Un modelo de discusión de este parámetro sería admitir el concreto formado por dos fases principales: una fase inerte formada por el agregado y una fase activa formada por la pasta de cemento incluso poros, huecos con aire o agua. Si se admite que los agregados se caracterizan por tener una velocidad de propagación ( va ) indiferente del tamaño del grano y el cemento más poros y huecos, una velocidad ( vm ), entonces sumando los volúmenes de las dos fases en un volumen unitario del hormigón (figura 1) se tiene:

En donde Va es el volumen porcentual de los agregados y Vb la velocidad medida en el hormigón. De donde

Figura 1.Esquema simplificado del hormigón.

La ecuación muestra que la velocidad Vm para un valor vb medida es mayor cuando a V y a v son menores. En consecuencia si para dos concretos en los cuales se mide la misma velocidad de propagación, se caracterizan por velocidades vm diferentes y por lo tanto resistencias diferentes si el volumen del agregado o la naturaleza de los agregados son diferentes. 4. Influencia en las condiciones de ensayo Longitud de la trayectoria del pulso.

5

La longitud de la trayectoria recorrida por el pulso ultrasónico va a depender del tamaño del agregado utilizado en el diseño de mezcla. En la medida en la que el tamaño del agregado es mayor, mayor será la distancia que recorre el pulso ultrasónico, por lo que debe ser mayor la longitud del elemento a ensayar. Dimensiones del elemento a ensayar Las dimensiones laterales del elemento a ensayar únicamente tienen influencia en la transmisión de las ondas ultrasónicas, solo si son menores que la longitud de onda de las vibraciones del pulso. Entonces se tiene que por ejemplo para pulsos de 50 kHz el elemento a ensayar debe tener una dimensión mínima lateral de 8 cm. Contenido de humedad. Se ha demostrado que el contenido de humedad en el hormigón tiene una influencia en la velocidad del pulso ultrasónico, esta se incrementa si aumenta el contenido de humedad. En general se puede decir que la velocidad del pulso ultrasónico de un hormigón (concreto saturado) puede ser mayor en más de 2% que la velocidad del pulso en el concreto seco de la misma composición y calidad. Edad del concreto. La velocidad del pulso ultrasónico aumenta conforme aumenta la edad del concreto, ya que también se incrementa la densidad del mismo. Esto se debe a que, conforme pasa el tiempo, una mayor cantidad de cemento se hidrata, lo que aumenta la resistencia del concreto, con lo que se hace más fácil el desplazamiento del pulso ultrasónico. Relación agua cemento. La relación agua/cemento, no solamente tienen influencia sobre la resistencia del hormigón, sino que también afecta la velocidad del pulso ultrasónico. Esto se debe a que una relación baja implica un peso específico alto en la mezcla, debido a que al incrementarse la cantidad de cemento se incrementa la densidad, con lo cual se obtienen menores tiempos de viaje de la onda en el concreto y rápidos desarrollos de resistencia. Así al aumentarse la relación agua cemento, se tiene una disminución de la velocidad de pulso ultrasónico, así como de la resistencia a la compresión del material. Relación agregado cemento. La velocidad del pulso ultrasónico en el agregado, es mayor que la velocidad en el cemento, así que al aumentar la cantidad de pasta en el volumen de la muestra, se presenta una importante reducción de la velocidad ultrasónica, sin embargo la resistencia no se reduce en la misma proporción. 5. Técnicas de medición Existen varias técnicas para la evaluación de la calidad del hormigón mediante el método ultrasónico, estas técnicas varían dependiendo de la posición de los transductores en el elemento a ensayar. Se pueden diferenciar en la figura 2.

6

Figura 2. Posición de los transductores. Transmisión directa. Transmisión semi directa. Transmisión indirecta.

Transmisión Directa Es el método que ofrece la manera más eficiente de controlar el tiempo de viaje de los pulsos, debido a que ofrece el máximo de sensibilidad al tiempo que se tiene un recorrido del pulso ultrasónico bien definido, así que se debe utilizar la transmisión directa siempre que sea posible hacerlo. Este tipo de transmisión es logrado haciendo partir el pulso longitudinal desde el transductor transmisor hacia el material de manera que la onda elástica sea propagada en una dirección normal a la cara del transmisor, ubicándose el receptor igualmente en dirección normal en la cara opuesta del elemento a ensayar. Transmisión Semidirecta En algunas ocasiones es necesario el uso de trayectorias diagonales para el análisis del concreto, en estos casos se emplea la transmisión semidirecta. Este tipo de transmisión se realiza ubicando los transductores en superficies contiguas y perpendiculares del elemento de ensayo. Debe tomarse en cuenta que la distancia del recorrido será ahora la diagonal medida centro a centro de los transductores aplicando el Teorema de Pitágoras. Este método ofrece la desventaja de que la medida del tiempo en elementos pequeños puede estar influenciada por las capas de hormigón de la superficie, y además es un método que depende de la forma del elemento de ensayo. Transmisión indirecta o superficial.

7

De todas las técnicas de medición es la menos recomendable, debido a que además de su relativa insensibilidad, ofrece medidas de tiempo de viaje que por lo general están influenciados por la capa de concreto más cercana a la superficie. Esas capas no son representativas de las condiciones del concreto en estratos Inferiores. En el método de transmisión indirecta no está bien definida la longitud de la trayectoria del pulso, y no es recomendable tomar la longitud media de centro a centro de los transductores. Para determinar la velocidad del pulso es necesario fijar el transductor emisor e ir desplazando el transductor receptor sobre la misma superficie en posiciones sucesivas a lo largo de una línea recta la distancia centra a centro, así como el tiempo de propagación respectivo se obtiene directamente para cada punto. De esta manera se puede graficar la distancia contra el tiempo de transito del pulso, la línea resultante tiene una pendiente cuyo inverso da el valor de la velocidad promedio con la que se propagan los pulsos en la superficie del concreto. Relación entre la velocidad de propagación y la resistencia del concreto. El hormigón, una vez fraguado, va endureciendo con el tiempo y van a ir aumentando tanto la resistencia mecánica a compresión y tracción, como la velocidad de propagación ultrasónica. Sin embargo la relación entre ambas magnitudes no es lineal, sino que siguen curvas tales como la que se presenta en la figura 3.

Figura 3. Relación entre la resistencia a la compresión y la velocidad de pulso

ultrasónico; para un hormigón de relación árido/cemento 8. El aspecto de las curvas será diferente para distintas clases de concreto y vendrá influido por ciertas características, tales como la relación agua/cemento, la relación árido/cemento, las condiciones de curado del hormigón, el contenido de humedad, la granulometría, el tipo de cemento, la presencia o ausencia de aireantes y otros aditivos, etc. No existe una fórmula teórica, que permita relacionar directamente entre sí, la velocidad de propagación y la resistencia. Sin embargo puede determinarse el

8

módulo elástico mediante la expresión (0.14) y tratar posteriormente de relacionar este módulo con la resistencia a la compresión o flexión.

Donde Ed es el módulo de elasticidad dinámico, w es el peso volumétrico del concreto seco, g la gravedad, c es la velocidad de pulso ultrasónico y m es el coeficiente de Poisson. También existen relaciones empíricas para obtener el módulo dinámico a partir de la velocidad de pulso, cuando no se cuenta con el valor del coeficiente de Poisson (6), a saber:

La relación entre el módulo dinámico, el coeficiente Poisson y la resistencia del hormigón, es uno de los aspectos de mayor interés en lo que se refiere a las medidas dinámicas, debido a que condiciona la posibilidad de determinar la resistencia mecánica en función de ensayos no destructivos. La expresión de L’Hermite, permite relacionar el módulo de elasticidad dinámico (Ed), con la resistencia a la compresión (R). Como vemos en la siguiente ecuación.

En donde el valor de la constante K puede deducirse rompiendo probetas, pero si esto no es posible, puede emplearse el valor medio de 22000. 6. Elementos Probeta de hormigón. Se observa una foto (figura 4)con probetas de hormigón destinadas a distintos estudios.

Figura 4. Probetas de hormigón comunmente usadas.

9

Descripción del instrumental El generador de pulsos induce al transmisor de pulsos el cual excita al cristal del cabezal, este corto pulso eléctrico normalmente tiene un voltaje pico de cientos de voltios. El mismo generador también activa la base de tiempos horizontal en el osciloscopio por medio de un circuito de tiempo de retardo. La deflexión vertical del osciloscopio (TCR, Tubo de rayo catódicos) se alimenta con un amplificador y un rectificador de pulsos recibidos desde la pieza. La longitud de la medición que se observa en la pantalla puede variar alterando la velocidad de la base de tiempo. Las deflexiones verticales se producen cada vez que el cabezal está sujeto a una tensión eléctrica propia de la recepción. Cuando se opera con cabezales de doble cristal el transmisor se encuentra separado del receptor, por lo tanto estos ambos cristales poseen cables y conexiones diferentes. En estos casos los equipos poseen circuitos de protección que aseguran que los altos voltajes del transmisor no dañen al receptor. Se observa lo mencionado en la figura 5.

Figura 5. Diagrama del equipo

Hoy en día los equipos diseñados son cada vez más livianos y compactos, esto es favorable para la utilización en campo. A su vez la construcción modular permite intercambiar cabezales con distintos equipos y pantallas de visualización, así como la utilización de múltiples cabezales. Las siguientes figuras presentan distintas configuraciones de instrumentos de ultrasonido. Recopile algunas fotos de instrumentos usados en distintas aplicaciones, los cuales se detallan en las figura 6, figura 7 , figura 8, figura 9 y figura 10.

10

Figura 6 Medición de espesores

Figura 7. Detección de laminación en materiales compuestos.

Figura 8. Equipos portátiles con medición de espesores

Figura 9. Equipos con osciloscopio incorporado

11

Figura 10. Equipo automático controlado por computadora.

Un diagrama simplificado detalla el diagrama en bloque de alguno de los sistemas típicos comerciales se muestra en la figura 11, en donde sistema puede ser dividido en cuatro partes principales: generador de disparo, base de tiempos con retraso de referencia, amplificador receptor y el oscilador contador de pulso. Cualquier aparato disponible en el mercado sigue el mismo principio de funcionamiento.

Figura 11 . Diagrama de un equipo comercial típico.

La capacitancia del transductor transmisor es cargada con un potencial elevado de tensión. Esta capacitancia es luego descargada a través del generador de disparo, el cual produce un pulso con una frecuencia de recurrencia que depende del instrumento. La descarga de la capacitancia, causa la excitación del transmisor lo que produce un tren de vibraciones elásticas longitudinales, que oscilan en su propia frecuencia natural y que son introducidas en el material a ensayar. Al mismo tiempo que el transmisor es excitado, el pulso dispara la base de tiempos con retraso. Esto genera un pulso “re-set” para las décadas y un pulso “start” para la compuerta de control biestable. Se tiene un pequeño retraso en el tiempo,

12

típicamente de tres micro segundos, entre el pulso aplicado al transductor transmisor y la señal de salida del transductor receptor, cuando los dos transductor están en contacto directo entre sí. Este retraso ocurre, mientras el impulso pasa través de las caras de metal de los traductores, el acoplante y el material transductor. Para eliminar este retraso, la longitud del pulso “re-set” se igualan al retraso y las decenas son llevadas a 0 para el período de retraso. Después de la transmisión a través del material bajo estudio, el pulso ultrasónico es convertido en una señal eléctrica, en el transductor receptor. La señal recibida es amplificada y modelada para producir un pulso “stop” discreto y creciente, el cual es coincidente con la llegada del frente de ondas principal de la señal recibida. 10 Mhz de pulso de conteo, son derivados de 10 Mhz de un oscilador de cristal de cuarzo de onda senoidal. Después de la conversión a onda cuadrada, los impulso de tiempos son aplicados, vía un switch de rango, a un lado de la compuerta. Los pulsos de 10 Mhz son también aplicados al divisor de decenas para producir pulso de conteo de 1 Mhz. Un circuito biestable es utilizado para controlar la compuerta. Cuando el pulso “start” es recibido la compuerta se abre, y el pulso de conteo pasa través de la compuerta, hacia las unidades contadoras de decenas. La compuerta se cierra cuando el pulso “Stop” del amplificador receptor, es aplicado al otro lado de la compuerta de control biestable. El indicador numérico mantiene la cuenta, hasta que el pulso “reset” es aplicado. Transductores ultrasónicos El transductor es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica (ondas sonoras) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales Se han visto a lo largo del curso de la asignatura varios transductores de diferentes frecuencias y diámetros y con el fin de establecer la frecuencia y diámetro óptimos para la inspección ultrasónica del nuestro material de interés en este caso el hormigón .Algunos transductores quedan citados a continuación en la siguiente tabla 1 con sus respectivas características de diámetro y frecuencia central.

Tabla 1. Ejemplo de transductores

13

Algunos transductores se observan en la figura 12.

Figura 12. Transductores

Se recomienda el empleo de un medio acoplante. el cual es utilizado para mejorar la transmisión de ondas ultrasónicas entre el transductor y la probeta de hormigón.

Una presentación comercial de este producto se observa en la siguiente foto – figura 13.

.

Figura 13. Acoplante

14

7. Procedimiento para el examinen de la pieza en estudio Para la caracterización simple utilizar el equipo de ultrasonido, tal como se refleja en el esquema de la Figura 14.

Figura 14.Esquema del método de medida mediante ultrasonidos.

Medida de la velocidad de la onda longitudinal Existen diversas técnicas para medir las constantes elásticas de los sólidos. Una de estas técnicas consiste en estudiar la velocidad de propagación de ondas acústicas dentro del sólido (que viene determinada por las constantes elásticas del sólido). La figura 14. muestra esquemáticamente el método experimental que puede ser utilizado para realizar las medidas. Mediante un generador de señales se produce un pulso eléctrico. A continuación, un cristal piezoeléctrico convierte esta señal eléctrica en una señal acústica. Los pulsos que se utilizan tienen frecuencias superiores al umbral de detección del oído humano por lo que reciben el nombre de ultrasonidos. El cristal se acopla al sólido que se desea estudiar, de forma que la señal acústica pasa a propagarse a través del mismo. Para que la transmisión de la onda sea lo más efectiva posible, se utiliza una sustancia de acople entre el piezoeléctrico y la muestra. La señal atraviesa el sólido y se refleja parcialmente en su superficie, volviendo a la posición del piezoeléctrico y generando una señal eléctrica. Posteriormente el pulso acústico se refleja parcialmente en la superficie del sólido y se va atenuando a medida que viaja a través del mismo. Estas señales son recogidas por un equipo de detección que permite observar en pantalla los impulsos correspondientes a los “ecos” del pulso inicial. Para poder determinar las constantes elásticas es necesario medir la velocidad de propagación de las ondas longitudinales y transversales. La velocidad puede ser medida determinando el tiempo de vuelo de la onda a través del espesor de la muestra. La velocidad es la distancia recorrida por la onda (que se corresponde al espesor) dividido por el tiempo que tarda la onda en recorrer esa distancia. En este método el mismo transductor envía la onda y la recibe. Para

15

este caso aparecen una serie de reflexiones, para lo cual se utiliza la medición del tiempo de retardo entre las reflexiones adyacentes. Como se puede ver en el esquema de la Figura 15 la onda ultrasónica recorre una distancia igual a dos veces el espesor de la muestra. Por tanto, la velocidad es igual a dos veces el espesor dividido por el tiempo:

CL

Donde: CL Velocidad de la onda ultrasónica longitudinal d espesor del material t Tiempo que tarda en recorrer la onda el espesor “e”.

Figura 15. Recorrido de la Onda Ultrasónica

Cuando este esquema experimental es implementado, se observa en la pantalla del instrumental utilizado , una señal. Es un gráfico en el que en el eje de abscisas se encuentra la distancia recorrida por la onda y en el eje de ordenadas corresponde a la amplitud. En ella se deben ver siempre al menos dos reflexiones características. Una inicial debida a la superficie sobre la que se apoya el transductor y otra debida a la reflexión de la onda en la superficie posterior. En vista de que el espesor del material es un dato conocido, se debe realizar el ajuste del equipo para conocer el tiempo empleado por la onda en hacer el recorrido de dicho espesor, y esto será mostrado en la pantalla del equipo. El procedimiento que se seguiría para determinar la velocidad ultrasónica de la onda es el siguiente: 1. Preparar la muestra. Se debe comprobar la condición superficial de la probeta para evitar mediciones confusas (suciedad, polco, nivel de rugosidad). Se debe colocar la misma sobre una superficie fija y totalmente plana. 2. Medida del espesor de la probeta: Dado que el camino acústico que recorre la onda es uno de los datos necesarios para realizar la estimación de velocidad de la onda ultrasónica longitudinal, se requiere de un calibre para medir el espesor de la probeta y tomar nota de este valor, así mismo este dato debe ser comprobado en diferentes punto de la placa a inspecciones, para así también evitar errores por imperfecciones en el proceso de fabricación de la muestra. 3. Encender el equipo y conexionado. En esta fase es necesario verificar las conexiones y los cables, así como la buena alimentación del equipo.

16

4. Seleccionar en el equipo ultrasónico la frecuencia del transductor utilizado o la que más se aproxime, para ampliar el sistema de filtro del equipo. Ya que el equipo dispone de un controlador para abrir el paso del espectro de frecuencias característicos del transductor, es necesario para una óptima visualización seleccionar un intervalo frecuencial en el equipo que se ajuste a la frecuencia del transductor empleado para la inspección.

5. Medio acoplante. Aplicar una pequeña cantidad de acoplante en la zona que se va a inspeccionar para poder colocar el transductor a la superficie del material. El líquido acoplante no debe ser dañino para el material 6. Colocar el transductor sobre la probeta y presionarlo ligeramente para que no se mueva durante la inspección y para que la onda se transmita al material con mayor facilidad y precisión. 7. Ajustar el control de retardo de forma que el pulso de salida del transductor quede fuera de la pantalla en la medida de lo posible. 8. Se varía la ganancia para ajustar la amplitud del primer eco de reflexión al 80% de la pantalla, con esto se aprovecha de observar la atenuación de la señal. 9. Introducir el valor de la distancia recorrida por la onda en esa primera reflexión y variar la velocidad ultrasónica hasta ubicar el eco de reflexión sobre el valor de la distancia introducido en el eje de abscisas. 10. Introducir el valor de la distancia recorrida por la onda en esa primera reflexión y variar la velocidad ultrasónica hasta ubicar el eco de reflexión sobre el valor de la distancia introducido en el eje de abscisas. Este procedimiento debe realizarse varias veces para disminuir el error experimental. El valor de velocidad correspondiente vendrá dado por el promedio de las velocidades medidas. Se puede realizar la misma operación con los distintos tipos de transductores. Se debe tener cuidado al cambiar de transductor para no dañarlo con golpes, roces, etc. Los transductores se limpian con un paño y se guardan en su caja correspondiente recubierta con un material esponjoso. Cada vez que se cambia de transductor, hay que volver a ajustar la frecuencia correspondiente en el equipo y realizar el proceso de calibración nuevamente. Medición de la atenuación Existen dos magnitudes importantes que caracterizan la propagación ultrasónica en un material. La primera es la velocidad de la onda ya sea de fase o de grupo, y la segunda es la atenuación, que manifiesta la pérdida de amplitud de la onda a su paso a través del material. En este caso se cumple una ley del tipo:

Donde: A y Ao: amplitudes final e inicial de una onda que atraviesa un material de longitud l, α es el coeficiente de atenuación, que caracteriza acústicamente al material (además de la velocidad).

17

Es importante señalar, cual es el mecanismo de atenuación en un material. Si se asume que se excita con un palpador de ondas planas dentro de un material, entonces el coeficiente α dependerá de los mecanismos de pérdida acústica que pueden existir en el mismo y que pueden tener un gran número de orígenes. En la práctica los palpadores presentan un patrón de radiación tal, que es una aproximación mala considerarlos como productores de ondas planas. Por tanto el mecanismo de atenuación geométrico no dependerá del material y podremos afirmar que se cumple la siguiente relación: Las unidades de atenuación se dan en dB por unidad de longitud. En muchos casos se expresa una dependencia adicional con la frecuencia.

Longitud de onda y detección de defectos En un ensayo de ultrasonido en usuario tiene que decidir qué frecuencia utilizar y, como ya sabemos, un cambio en la frecuencia de la onda produce un cambio en la longitud de onda del sonido, ya que la velocidad es constante. Por otro lado, la longitud de onda del ultrasonido utilizado tiene un efecto significante en la probabilidad de detectar discontinuidades. Una regla general es que una discontinuidad debe tener un largo de, por lo menos, la mitad de la longitud de onda para tener una probabilidad razonable de ser detectada. La sensibilidad y la resolución son dos términos comúnmente utilizados en la inspección con ultrasonido. Sensibilidad es la capacidad de localizar pequeñas discontinuidades en el ensayo, esta, generalmente, se incrementa al incrementar la frecuencia (disminuye la longitud de onda). Resolución es la capacidad del sistema de detectar fisuras que se encuentran muy próximas o muy cerca de los bordes, este parámetro también aumenta cuando se incrementa la frecuencia. Pero el aumentar la frecuencia puede afectar la capacidad del instrumento de forma adversa debido a que las ondas de sonido tienden a dispersarse en materiales con estructura de granos gruesos como las piezas fundidas. A su vez, dicho aumento de frecuencia genera una reducción en el poder de penetración de la medición. Por lo tanto para seleccionar una óptima frecuencia de inspección se deben hacer un balance entre los resultados favorable y los desfavorables de la selección, antes de seleccionar dicha frecuencia se deben tener en cuenta el tamaño de grano, el espesor de la pieza, el tipo de discontinuidad, tamaño y probable localización. Cabe destacar que hay otros parámetros que también influyen en la capacidad del equipo, estos son: la longitud del pulso aplicado, el tipo y voltaje aplicado al cristal, las propiedades del cristal, el material y el diámetro del cabezal, el circuito de procesamiento de datos del instrumento. 8. Representación de los datos Los datos obtenidos por el equipo de ultrasonido pueden ser visualizados en diferentes formatos. A continuación se presentarán los tres más conocidos en la aplicación en END, la representación tipo A, la Representación Tipo B y la Representación Tipo C. Los equipos más modernos pueden presentar las tres inspecciones simultáneamente. Representación Tipo A

18

Esta representación muestra la cantidad de energía recibida como función del tiempo. Las cantidades relativas de energía son presentadas en el eje vertical mientras que el tiempo transcurrido es presentado en el eje horizontal. En este sistema el tamaño relativo de la discontinuidad puede ser estimado comparando la amplitud de la señal hallada con la obtenida mediante la implementación de un patrón. En la figura 16 se puede observar la representación mencionada. Se presentan las diferentes lecturas superpuestas que se obtendrían al escanear la pieza de izquierda a derecha.

Figura 16. Representación tipo A

Cuando el cabezal se encuentra en el extremo izquierdo en el display se divisarán los pulsos IP (Correspondiente al rebote en la superficie del material) en el tiempo cero y el pulso A, correspondiente a revote en la superficie A. A medida que el cabezal se mueve hacia la derecha desaparecerá el pulso A y aparecerá el pulso BW (corresponde a la superficie inferior) más alejado en el visor debido a que la onda tuvo que recorrer mayor distancia hasta dicha superficie. Cuando el cabezal se encuentre en la misma vertical que la discontinuidad B aparecerá el pulso B en conjunto con el IP y el BW (y a una distancia proporcional a esta última), esto se debe a que parte del pulso enviado se refleja en la discontinuidad y parte en la superficie inferior. Finalmente, cuando el cabezal pase por encima de la discontinuidad C, aparecerá el pulso correspondiente a dicha discontinuidad y desaparecerá el correspondiente a la discontinuidad B. La siguiente imagen, figura 17, presenta una serie de posibilidades de visualización según las discontinuidades encontradas.

19

Figura 17. Posibles discontinuidades.

Representación Tipo B La representación tipo B queda plasmada en la figura 18 y se ve que la misma genera un perfil correspondiente a la sección transversal de la pieza que se está analizando. El tiempo de “viaje” de la onda (o su equivalente en profundidad) es visualizado en el eje vertical mientras que la posición del cabezal es representada en el eje horizontal.

Figura 18. B scan

La línea A se produce cuando el cabezal pasa por encima de la zona de reducción de espesor. Cuando el cabezal se mueve hacia la derecha van surgiendo sucesivamente las líneas BW, B, y C. La línea IP se encuentra en todo el recorrido debido al rebote de la onda en la superficie de la pieza. Una limitación de esta visualización fallas cercanas a las superficies pueden ser enmascaradas por esta última. Representación Tipo C

20

La representación tipo C presenta una vista del plano analizado de la pieza. Estas visualizaciones son producidas por sistemas de escáner automáticos como escaneos por inmersión controlados por computadora. La amplitud de la señal de la onda es censada a intervalos regulares al mismo tiempo que el cabezal es desplazado por toda la superficie a analizar. Dicha amplitud es presentada utilizando una escala de grises o de colores en cada posición proveyendo una imagen del las características reflejadas. Ver Figura 19

Figura 19. C Scan

9. Detección de defectos Procedimiento de transmisión Este procedimiento evalúa la parte del ultrasonido que se ha transmitido a través de la pieza a ensayar. A un lado de la pieza se aplica el emisor y al otro el receptor, como se ve en la figura 20. En presencia de un defecto la intensidad sonora en el receptor disminuye a causa de la reflexión parcial o se hace nula en caso de reflexión total. Lo mismo da que se emplee sonido continuo o impulsos de sonido para el ensayo ya que el emisor y el receptor se encuentran separados entre sí. En este ensayo no se puede determinar la profundidad a la que se encuentra localizado el defecto de la pieza. Es necesaria una exacta alineación entre el emisor y el receptor.

Figura 20. Modo transmisión

21

Procedimiento Pulso-Eco Este procedimiento utiliza la porción reflejada del sonido para evaluar los defectos. El cabezal piezoeléctrico funciona tanto como emisor como receptor. Como la energía recibida es mucho más débil que a emitida, aquí no puede operarse sobre la base de sonido continuo, se emplean exclusivamente impulsos de sonido. Un impulso eléctrico de cortísima duración genera una análoga onda ultrasónica, inmediatamente después, mientras aún se está propagando la onda el mismo oscilador está listo para la recepción. La onda penetra el material hasta que, como resultado de una superficie limite, tiene lugar una reflexión total o parcial. Si la superficie reflectante se encuentra perpendicular a la dirección de propagación de la onda, esta se refleja en su dirección primitiva y, al cabo de un tiempo llega de vuelta al oscilador siendo reconvertida en un impulso eléctrico. Pero no toda la energía que regresa es reconvertida, sino que en la interfaz entre el cabezal y la superficie de la pieza tiene lugar una nueva reflexión, por lo que una parte menor del sonido vuelve a atravesar la pieza por segunda vez y así sucesivamente. Se esquematiza en la figura 21.

Figura 21. Visualización en procedimiento pulso - eco.

Debe tenerse en cuenta que no solamente las superficies límites generan ecos múltiples sino que también los defectos lo hacen. Puesto que se puede medir el tiempo de recorrido y se conoce la velocidad del sonido en el medio ensayado este método permite establecer la distancia que existe entre el cabezal y las superficies reflectantes, sean estas superficies de la pieza o discontinuidades internas. Por eso este método es muy utilizado, a la vez que solo existe una superficie de acoplamiento por lo que resulta mucho más sencillo mantener constante el acoplamiento. Ver las figuras 22 y 23.

22

Figura 22. Visualización en procedimiento pulso / eco

con fisura en el material.

Figura 23. .Distintas posibilidades de visualización en

procedimiento pulso - eco.

Método de Resonancia. Este método se basa en la medida de la frecuencia de resonancia por reflexión (formación de ondas estacionarias) y se emplea principalmente para medición de espesores en piezas de superficies paralelas. Si en una muestra de superficies paralelas de determinado espesor “e”, se propaga un haz ultrasónico de excitación continua y de amplio espectro de frecuencias, las correspondientes oscilaciones

23

cuya semilongitud de onda sea un submúltiplo del espesor de la muestra, se reforzarán al superponerse en fase, debilitándose las restantes, dando lugar a un fenómeno de resonancia, es decir, a la formación de ondas estacionarias. En consecuencia, las oscilaciones características se podrán definir por el número de semilongitudes de onda contenidas en el espesor de la pieza; por ejemplo, la oscilación característica fundamental o primera, como la correspondiente a una semilongitud de onda por espesor (parte a de la siguiente figura) y la oscilación característica de orden n, como la correspondiente a n semilongitudes de onda (por ejemplo, de orden 2 y 3, siguiente figura 24).

Figura 24. Frecuencia fundamental y armónicos en

ensayo por resonancia. 10. Conclusiones Como conclusiones se debe destacar como primer punto fundamental, que el empleo del Ultrasonido para aplicaciones Industriales, como en el caso abordado, el estudio de la resistencia de materiales, vigas, columnas y estructuras en general empleados en la construcción, posee las siguientes ventajas frente a otros estudios

• Alto poder de penetración, lo que permite la detección de defectos profundos en la parte.

• De alta sensibilidad, que permite la detección de defectos extremadamente pequeñas.

• Sólo una superficie tiene que ser accesible. • Mayor precisión que otros métodos no destructivos en la determinación de

la profundidad de defectos internos y el espesor de las piezas con superficies paralelas.

• Algunos capacidad de estimar el tamaño, la orientación, forma y naturaleza de los defectos.

• No es peligroso para las operaciones o personal cercano, y no tiene ningún efecto sobre el equipo y los materiales en los alrededores.

• Ser capaces de funcionar portátil o altamente automatizado.

Estas características se fortalecen en la medida que se tenga una profunda consideración en los siguientes puntos

• Funcionamiento manual requiere una cuidadosa atención por técnicos experimentados

24

• Se requiere conocimiento técnico extenso para el desarrollo de los procedimientos de inspección.

• Las piezas que son ásperas, de forma irregular, muy pequeña o delgada, o no homogénea son difíciles de inspeccionar.

• La superficie debe ser preparada por la limpieza y la eliminación de escamas sueltas, pintura, etc. a pesar de que la pintura se adhiere correctamente a la superficie no tiene que ser eliminado.

• Se necesitan acopladores para proporcionar una transferencia eficaz de la energía de ondas ultrasónicas entre los transductores y las partes que se inspecciona menos que se utilice una técnica sin contacto. Técnicas sin contacto incluyen láser y transductores acústicos electromagnéticos.

• Inspección de los Elementos ha de ser resistente al agua, cuando el uso de acopladores a base de agua que no contienen inhibidores de la herrumbre.

11. Normas Organización Internacional de Normalización

• ISO 7963, Ensayos no destructivos - Ensayo de ultrasonido - Especificación para bloque de calibración N º 2

• ISO/DIS 11666, ensayo no destructivo de soldaduras - Los ensayos por ultrasonidos de uniones soldadas - Niveles de aceptación

• ISO/DIS 17640, ensayo no destructivo de soldaduras - Los ensayos por ultrasonidos de uniones soldadas

• ISO 22825, la prueba no destructivo de soldaduras - Las pruebas por ultrasonido - Pruebas de soldaduras en aceros austeníticos y aleaciones a base de níquel

Comité Europeo de Normalización

• EN 583, Ensayos no destructivos - Examen por ultrasonidos • EN 1330-4 Ensayos no destructivos - Terminología - Parte 4: Términos

utilizados en las pruebas de ultrasonidos • EN 1712, Ensayos no destructivos de soldaduras - Los ensayos por

ultrasonidos de uniones soldadas - Niveles de aceptación • EN 1713, Ensayos no destructivos de soldaduras - Las pruebas por

ultrasonido - Caracterización de las indicaciones en las soldaduras • EN 1714, Ensayos no destructivos de soldaduras - Los ensayos por

ultrasonidos de uniones soldadas • EN 12223, Ensayos no destructivos - Examen por ultrasonidos -

Especificación para bloque de calibración N º 1 se sustituye por la norma ISO 2400:2012 "Ensayos no destructivos - Ensayo de ultrasonido - Especificación para bloque de calibración N º 1"

• EN 12668-1, Ensayos no destructivos - Caracterización y verificación del equipo de examen ultrasónico - Parte 1: Instrumentos

25

• EN 12668-2, Ensayos no destructivos - Caracterización y verificación del equipo de examen ultrasónico - Parte 2: Las sondas

• EN 12668-3, Ensayos no destructivos - Caracterización y verificación del equipo de examen ultrasónico - Parte 3: Equipo combinado

• EN 12680, Fundador - Examen por ultrasonidos • EN 14127, Ensayos no destructivos - medición de espesores por

ultrasonidos

12. Referencias

• Apuntes de la Asignatura “Aplicaciones Industriales del Ultrasonido” – Ing. Ángel Veca.

• http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm

• Ultrasonic Non Destructive Testing - Advanced Concepts and Applications (National Instruments). (Turorial).

• Automatic Inspection of Welded Pipes with Ultrasound. (Turorial). • Ultrasonic Reference Blocks. (Catálogo de productos) • Harisonic Ultrasonic Transducer Catalog. • Wikipedia • http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/35207/PROYECTO%20DEFINIT

IVO.pdf?sequence=1 • Ensayos no destructivos aplicados en Aeronáutica – Fuerza Aerea • Fernández Hatre, Alfonso “Ensayos no destructivos por ultrasonidos”,

editado por Instituto de Desarrollo Económico del Principado de Asturias, 1.994.

• UNE EN 1097-2:2.010, Ensayos para determinar las propiedades mecánicas y físicas de los áridos. Parte 2: Métodos para la determinación de la resistencia a la fragmentación.

• UNE EN 934-6:2.002, Aditivos para hormigones, morteros y pastas. Parte 6: Toma de muestras, control y evaluación de la conformidad.

• UNE EN 12390-8:2.009, Ensayos de hormigón endurecido. Parte 8: Profundidad de penetración de agua bajo presión.

• UNE EN 12350-2:2.009, Ensayos de hormigón fresco. Parte 2: Ensayo de asentamiento.

• www.ob-ultrasound.net/sokolov.html • www.controls.com • www.geophysical.com