UltraSoNidos

Ensayo

UNIDAD 4

REALIZACIÓN DEL ENSAYO UT

1LEONARDO DA VINCI II. PROGRAMA DE FORMACIÓN EUROPEO PARA LA CUALIFICACIÓN DE PERSONAL DE E.N.D.

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4 TÉCNICA DE INSPECCIÓN

4.1 VERIFICACIÓN DEL EQUIPO COMBINADO SEGÚN EN 12668-3Para llevar a cabo una inspección de forma consistente, antes de ajustar el equipo en rango (campo) y sensibilidad, se debe primero verificar su funcionamiento. A continuación se enumeran una serie de ensayos a llevar a cabo por el operador del equipo (consultar la norma EN12668-3):

1) Linealidad de la base de tiempos Semanal 2) Linealidad del sistema de amplificación Semanal 3) Punto de salida (del haz) Diario 4) Ángulo de refracción (del haz) Diario 5) Estado del material y aspecto exterior Diario 6) Sensibilidad y relación señal-ruido de fondo Semanal 7) Duración del impulso Semanal

A continuación se describe cada uno de estos ensayos:

1) La linealidad de la base de tiempos debe realizarse para confirmar que los ecos a lo largo de la base de tiempos aparecen igualmente espaciados que el espesor físico del material, es decir, si la base de tiempos se calibra de 0 a 50 mm entonces debe aparecer un espesor de 25 mm en el centro de la base de tiempos.

Procedimiento operatorio: Utilizando el bloque patrón Nº 1 (EN12223) situar el palpador en una posición donde la zona en la que se sitúa el último eco de fondo con ondas longitudinales ( o radio de 100, con ondas transversales) es igual o superior a aquella sobre la que se debe verificar la linealidad.

2) La linealidad del sistema de amplificación es una verificación para demostrar que el control de la ganancia produce cambios predecibles en la altura del eco en la pantalla, por ejemplo, si se aumenta la ganancia en 6 dB, la altura del eco en la pantalla deberá ser el doble.

3) El punto de salida del haz es la característica de un palpador angular que muestra, de forma precisa, por donde sale el eje del haz a través de la zapata del palpador. Mientras se emplea el palpador, la zapata (línea de retardo) se desgasta, pero no siempre de forma uniforme ni paralela a la forma inicial, por tanto, se comprobará diariamente y con la ayuda de un bloque patrón (EN 12223 / EN ISO 7963) cual es el punto de salida desplazando el palpador de atrás hacia adelante buscando la señal reflejada de máxima amplitud.

4) Con el ángulo de refracción se comprobará el posible desgaste no uniforme de la zapata que puede modificar el ángulo del haz. Se debe registrar la desviación entre el ángulo medido y el ángulo nominal.

5) El estado general del material (equipo) y los aspectos externos se deben revisar para determinar posibles problemas diarios y fallos de fiabilidad potenciales. El examen visual sobre el equipo de ultrasonidos, de los palpadores, del cable y del bloque patrón puede dar lugar a conocer problemas o daños visibles que siempre deben corregirse antes de empezar la inspección, en vez de detectarlos mientras se realiza esta.


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6) Sensibilidad y relación señal - ruido .La respuesta del eco de un reflector dado (pequeño), depende de la combinación de palpador, ganancia, posicionamiento y su presentación en pantalla, de manera que sea consistente y pueda repetirse (sensibilidad). Esta verificación tiene como objetivo identificar el deterioro de la sensibilidad del palpador y del equipo asociado. La totalidad del sistema puede crear pequeñas señales debido a las interferencias electrónicas, y también a interferencias eléctricas externas. Éstas aparecerán en la base de tiempos como pequeños ecos o ruido. Si el ruido excede la amplitud del eco de un pequeño pero relevante reflector, durante el incremento de la ganancia, la inspección no es satisfactoria. La determinación de la relación señal-ruido es imperativa para confirmar que no ha habido deterioro en el equipo.Relación señal-ruido: la diferencia entre la ganancia requerida para que un eco de un reflector de referencia conocido alcance una altura en pantalla y la ganancia necesaria para llevar las señales parásitas o ruido a la misma altura, es una medida de la relación señal-ruido. Esto se debe determinar desde el principio y comprobarlo semanalmente para verificar que cualquier amplificación no está confundiendo señales de interés con señales de ruido.

Nota: La comprobación electrónica del equipo y del palpador deben ser verificadas por personal cualificado y competente (laboratorios acreditados), mientras que la verificación de la combinación de los palpadores adecuados y el equipo es mejor que la realice el operador del equipo justo antes de su uso.

7) Duración del impulso : el objetivo es medir el tiempo de oscilación del elemento activo (cristal) de un transductor (medido en microsegundos) de tal manera que cuanto más corta es la duración del impulso mayor es la resolución. Para controlar la duración del impulso (o longitud del impulso) es determinante el enlace entre el amortiguante y la cara del elemento activo.

Nota: Cada procedimiento de ensayo se detalla en la norma EN 12668-3 y debe seguirse como se indica en ella.

1.2 BLOQUES DE CALIBRACIÓN NORMALIZADOSLa norma EN 12223 describe el bloque de calibración Nº 1.

Figura 4.1


( Medidas en mm )

Entallas para comprobación de resolución

(distancias: 85 - 91 - 100)

Taladro (Ø= 3)

Perspex (Ø = 50)

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Las dimensiones de este bloque han de estar mecanizadas de forma exacta, lo que posibilita realizar los ajustes del equipo de ultrasonidos con los palpadores normales o de haz recto (ondas longitudinales o de compresión) bicristales y monocristales. De igual manera ocurre con los palpadores angulares (ondas transversales o de cizalladura) bicristales y monocristales. Además todas las superficies exteriores deben estar mecanizadas con un valor de Ra < 0,8 µm.

Las diversas dimensiones permiten campos de ajustes en distancia desde 0-50 mm hasta 0-300 mm (incluso más). El cilindro de Perspex (de 23 mm de espesor) equivale a 50 mm de acero, debido a la diferencia de velocidad relativa. La entalla con las tres escalas cercanas (distancias 85 - 91 - 100) se emplea para demostrar la capacidad de resolución.

El extremo curvado se usa para los ajustes en distancias del palpador angular, pero sólo para campos mayores de 100 mm. Para campos menores, se debe usar el Bloque Patrón Nº 2.

Aunque las dimensiones del bloque son de gran importancia, la norma también da mucha importancia a la necesidad de una atenuación baja y a la estructura libre de discontinuidades.

El acero requerido es de calidad S355JO, especificado en la norma EN 10025 + A 1, y se mecanizará hasta una dimensión de 320 mm x 120 mm x 30 mm antes del tratamiento térmico, que consistirá en:

- austenizar a 920°C durante 30 min- enfriar rápidamente (temple) en agua- revenir calentando a 650ºC durante tres horas - enfriar al aire

La norma manda que, antes del mecanizado final, el bloque esté libre de discontinuidades internas. Por lo tanto, debe ser examinado ultrasónicamente después del tratamiento térmico, con un palpador normal (0º) de onda de compresión de, al menos, 10 MHz de frecuencia y un tamaño de elemento activo de 10 a 15 mm para determinar que está libre de reflectores que puedan impedir el uso en las operaciones de calibración.

Finalmente, las velocidades se medirán como se describe en el anexo A. Se dan las tolerancias para la velocidad de la onda longitudinal (5.920 metros / segundo ± 30 metros / segundo), y para la velocidad de la onda transversal (3.255 metros/segundo ± 15 metros/segundo).Se debe tener en cuenta que en la norma europea no hay requisitos específicos para el cilindro de plástico, pero se permiten los bloques de diseño similar, es decir, los que ya tienen un cilindro de Perspex.

La norma EN 27963 describe el bloque de calibración Nº 2 (EN ISO 7963). (Medidas en mm)

Figura 4.2


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El bloque suele usarse para la calibración de los campos de palpador angular desde 0-100 / 0-125 / 0-175 / 0-200 / 0-250 mm.

Los requisitos de este bloque son similares a los de arriba, pero el tratamiento térmico sólo requiere 2 horas a 650 ºC.

4.2 TÉCNICA DE CONTACTO (HAZ NORMAL Y HAZ ANGULAR)

En todas las inspecciones ultrasónicas convencionales, la primera consideración es transmitir tanta energía ultrasónica a la pieza como sea posible. Aunque hay dispositivos como EMAT y palpadores acoplados con aire, lo más común y todavía más usado es intentar eliminar el aire entre el transmisor y la superficie de entrada.

La razón para ello es la pobre impedancia acústica del aire, comparada con la alta impedancia acústica de la mayoría de los materiales de ensayo, lo que provoca una reflexión considerable en la interfaz y una transmisión muy pobre de energía ultrasónica. Así, en una interfaz de aire a acero, menos de un 1% de la energía se transmite desde un palpador monocristal de compresión de 5 MHz.

En principio, uno de los requisitos para el ensayo por contacto es eliminar el aire entre la cara del palpador y la superficie de inspección.

La norma EN 583-3 dice lo siguiente en la sección 4.4: “Efectos de las variaciones en acoplamiento, angulación y alineación del palpador”

“La técnica es particularmente sensible a las variaciones del acoplamiento del palpador y la mala angulación debida a las irregularidades de la superficie, ya que estos factores también causan una reducción sensible de la amplitud de la señal transmitida. Para mejorar la uniformidad del acoplamiento, se emplea con mayor frecuencia el barrido en inmersión o por chorro de agua. La preparación de la superficie para mejorar la uniformidad del acoplamiento puede ser necesaria; especialmente para la exploración por contacto”.

4.2.1 Reflexión

El ensayo por contacto es, como su nombre indica, donde el palpador, de haz recto o angular, está directamente en contacto con la superficie sometida a inspección.

Figura 4.3

La figura 4.3, muestra la técnica de ensayo por contacto de reflexión, usando un palpador monocristal de haz recto (ondas de compresión). Es una técnica muy usada en inspección ultrasónica.

Palpador angular


Pared de fondo

Palpador de Haz recto

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Figura 4.4

La figura 4.4, muestra la técnica de ensayo por contacto de reflexión, empleando un palpador monocristal angular (ondas transversales). Es una técnica muy usada en inspección ultrasónica de soldaduras.

En la técnica de reflexión, la señal empleada para la localización, dimensionamiento y evaluación de los reflectores es la reflejada por el área de interés. Puede ser simplemente la pared de fondo o una pequeña discontinuidad pero, en cada caso, la identificación del reflector depende de la amplitud de la señal que vuelve al receptor.

En el ensayo por contacto, no sólo influye lo que se indica en la Norma EN 583-3 parte 4.4, sino que además influye la presión ejercida por el inspector sobre el palpador de contacto. Esta presión mecánica debe mantenerse durante toda la exploración de la pieza sometida a inspección y es una destreza que se adquiere en base a la experiencia.

Los métodos de ensayo sin contacto, como los sistemas de inmersión o chorro de agua, eliminan esta variable y llevan a unas características constantes de acoplamiento.

4.2.2 Transmisión

En esta técnica se emplean dos palpadores separados, uno emisor y otro receptor. Pueden estar situados en el mismo lado del componente, o los palpadores enfrentados a cada lado del componente (en la disposición “pitch & catch”). La reducción o pérdida de la señal vista en la pantalla del equipo indica, generalmente, la presencia de una discontinuidad. Esta técnica no puede dar la profundidad de la discontinuidad y se suele usar en materiales de alta atenuación, es decir, cuando los ultrasonidos se transmiten con dificultad (Ejemplo: materiales de grano grueso como las soldaduras de acero inoxidable).

Figura 4.5


Palpador emisor

Palpador receptor

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Figura 4.6

En el ensayo por la técnica de impulso-eco, la reducción o pérdida de la señal vista en la pantalla del equipo puede indicar problemas relacionados con el reflector, atenuación en el material o la presencia de una discontinuidad que no se puede orientar perpendicularmente al haz.

Como indica la norma EN 583-3 en la sección 4.4:“Cuando se emplean palpadores transmisores (emisores) y receptores separados y/o un reflector en el lado opuesto del objeto a examinar, su posicionamiento relativo es también crítico y, cuando sea posible, deben mantenerse alineados mediante una orientación permanente”.

El procedimiento es una operación “máximo / mínimo” en la que una reducción de la señal (a menudo pérdida completa) indica que algo ocurre entre los palpadores transmisor y receptor.

4.3 TÉCNICAS DE INMERSIÓN (HAZ RECTO Y HAZ ANGULAR)

En el ensayo por inmersión, el componente se sumerge en un baño de agua (a menudo con inhibidores de corrosión y agentes humectantes) y el palpador está sumergido en la misma agua, pero debe mantener constante la distancia mínima de la superficie del componente requerida durante la calibración (ajuste en distancia) para realizar la inspección.

Una variante de esta técnica y muy utilizada en la práctica es la aplicación de inmersión parcial mediante chorro de agua, en donde no hay contacto, sino que se mantiene una corriente de agua entre la pieza y el palpador para proporcionar el acoplamiento.

El ensayo por inmersión incluye un número de variaciones: Inmersión Chorro de agua Rueda flexible

En todos ellos, el elemento activo no está en contacto con la superficie sometida a inspección, por lo que existe un hueco que se rellena con un líquido para establecer el acoplamiento.

En el sistema de rueda flexible, la presión aplicada de forma manual puede afectar la amplitud de señal. En los demás casos se aplica el principio del acoplamiento constante.


Palpador emisor Palpador receptor

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En el ensayo por inmersión pueden transmitirse a la pieza de inspección diferentes tipos de ondas: ondas de compresión rectas y de ángulo, ondas de cizalladura de ángulo, ondas superficiales y ondas reptantes, y esto es debido a la distancia existente entre el palpador y la superficie de la pieza que nos permite angular el palpador con el ángulo deseado.

El sistema permite la automatización, incluso para el sistema de rueda, que puede estar unido a un manipulador para una ubicación exacta y diferentes modos de exploración.

4.3.1 Reflexión

A diferencia del ensayo por contacto, donde la señal se pierde a veces durante el movimiento del palpador, la inmersión asegura el acoplamiento constante.

La geometría de la pieza para este tipo de inspecciones debe ser simple para garantizar la correcta orientación de la superficie del material con la señal transmitida: barra, estructura laminada de material compuesto de FC, placa, disco… Generalmente, la inspección debe realizarse mediante manipulación automática del palpador asistido por ordenador.

Figura 4.7

Figura 4.8


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En este ambiente se puede conseguir el acoplamiento constante, sin ninguna pérdida de señal durante el movimiento del palpador, como puede ser el caso del ensayo por contacto.

4.3.2 Transmisión

Como en el ensayo por contacto, el uso de un transmisor a un lado del objeto y un receptor al otro lado se puede aplicar también al ensayo por inmersión. Esto también se aplica al sistema de chorro de agua, que se usa de forma extensiva para la inspección de la soldadura en tubos de acero con soldadura continua.

Figura 4.9

Para ampliar detalles de estos sistemas, se debe consultar la norma EN 583-3:1997.

4.4 ESTABLECIMIENTO DEL RANGO (CAMPO) Y DE SENSIBILIDAD

En una inspección por ultrasonidos es fundamental realizar un buen ajuste del equipo para que podamos tener una información precisa de la pieza que se desea inspeccionar. En este sentido la norma EN 583-2 “Examen por ultrasonidos. Ajuste de la sensibilidad y de la base de tiempos” nos indica cómo podemos preparar nuestro equipo para detectar discontinuidades con representación A-scan y realizar mediciones reproducibles de la localización y altura de un eco reflector.

En soldadura, además se utiliza la norma EN ISO 17640 “Ensayo por ultrasonidos de uniones soldadas. Técnicas, niveles de ensayo y evaluación”

El ajuste de la base de tiempos nos va a permitir conocer el posicionamiento de un reflector en relación a punto, es decir, con ondas de compresión conoceremos a que profundidad está dicho reflector desde la superficie y con ondas de corte podemos conocer el recorrido del sonido, la profundidad y recorrido del sonido proyectado a la superficie (siempre que identifiquemos el punto de salida, el ángulo y el espesor del material a inspeccionar).

El establecimiento de la sensibilidad se determinará por las técnicas empleadas y los requisitos del nivel de referencia de la norma utilizada.


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Con la sensibilidad (ajustada con el control de ganancia) lo que garantizamos es que somos capaces de encontrar el tamaño de una discontinuidad pequeña según el tamaño del reflector que se ha fijado como referencia.

Los requisitos de rango se determinarán según la técnica de examen (salto completo o medio salto), la localización del ensayo (material base o área de soldadura), el espesor del material sometido a ensayo, el palpador que se está utilizando (haz recto o angular) y el método de evaluación (DGS, CAD o 20 dB).

4.4.1 Reflectores de referenciaSe debe consultar la técnica para la inspección. En el caso de inspección de soldaduras los reflectores de referencia descritos en la norma EN ISO 17640 incluyen:

Taladros con un diámetro de 3 mm, empleados para obtener una curva CAD Reflectores de forma de disco (agujeros de fondo plano) de varios tamaños

usados para generar el conjunto de curvas DGS Entallas de 1 mm usadas para obtener la curva CAD Reflector de forma de disco de 6 mm para usar con la técnica tándem

Todos o cualquiera de ellos pueden citarse en la técnica de ensayo.

4.4.2 Correción de la transferenciaLa transferencia es la corrección del ajuste en ganancia (medido en decibelios) para que se tenga en cuenta las pérdidas debidas al acoplamiento, reflexión y atenuación al pasar del bloque de referencia al material de ensayo.

Esta diferencia puede estar afectada según el material, proceso de fabricación, estado superficial, temperatura,…

En los materiales metálicos la atenuación del material empleado para hacer bloques de referencia con los que se traza la curva CAD es generalmente baja y la atenuación en soldaduras, sobre todo en soldaduras de inoxidables, puede ser significativamente diferente, a menudo se pueden infra-dimensionar reflectores en la soldadura.

Ejemplo: Con ninguna atenuación en el bloque de referencia, un taladro de 3 mm, a una distancia de 30 mm, da una altura de eco del 40% del total de la pantalla. Un agujero similar en una soldadura a una distancia de 30 mm, pero con 6 dB de atenuación (en ese rango) dará un eco de sólo un 20% de la altura de la pantalla completa, y el reflector se evaluará por debajo de la clasificación.

En el caso de inspecciones ultrasónicas de soldaduras, es imperativo que cualquier diferencia en atenuación entre el bloque de referencia y el material de inspección se conozca y se compense de forma conveniente. Si la diferencia en la atenuación es menor de 2 dB, no se requiere ninguna acción, pero si el rango está por encima de 2 hasta 12 dB, entonces se requieren acciones correctoras.

Conociendo los coeficientes de atenuación del material sometido a ensayo y del bloque de referencia se puede conocer la corrección pertinente.

En caso de otros materiales, como material compuesto de fibra de carbono con resina epoxy, en estructuras monolíticas (laminado plano), el concepto de


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transferencia nos sirve para controlar el proceso de fabricación de piezas con relación a la probeta de referencia y en zonas de igual espesor donde la diferencia de atenuación puede ser originada por la presencia de porosidad que cuando son inspeccionadas por la técnica pulso-eco debemos tener, al menos, alguna zona buena donde el valor de la misma se encuentre entre +/- 6 dB (siempre teniendo en cuenta las normas de referencia que regulan el proceso de fabricación).Nota: El proceso de fabricación y la probeta de referencia deben estar certificados.

4.5 MEDIDA DEL ESPESOR MEDIANTE ULTRASONIDOS

4.5.1 EquipoDado que el ajuste de un instrumento se basa en la velocidad del sonido en un material dado y en su espesor, si la velocidad de un medio se conoce y se ajusta correctamente para ese material, entonces el instrumento se puede usar para determinar el espesor del material sometido a ensayo.

Esto se puede llevar a cabo con un equipo de ultrasonidos con representación A, pero existen medidores dedicados a ello que son bastante más económicos.

En su forma más simple, un medidor de espesores es un dispositivo que da una lectura digital sencilla del espesor del material conocido.

Algunos dispositivos tienen la capacidad de introducir la velocidad del sonido en el material y un simple visionado de la pantalla muestra la forma del eco dentro del material.

Los instrumentos más sofisticados pueden almacenar la entrada de datos sobre el material sometido a ensayo, registrar las lecturas en la memoria y producir informes al conectarse a una impresora. Son capaces de leer hasta 0,010” (0,254 mm) y menos con considerable exactitud.

Medidor de espesores digital

El visor muestra una lectura de 0,0169” (0,429 mm)

Figura 4.10


Rodolfo Rodriguez, 22/07/12,

Ver norma de medición de espesores para ampliar este epigrafe

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4.5.2 Técnicas

Si un equipo se va a emplear para la medida de espesores, se debe primero ajustar de forma exacta para el rango requerido. Generalmente, los equipos portátiles convencionales son capaces de evaluar el espesor hasta 1 mm. Sin embargo, la visualización de la pantalla mostrará ecos de impulso anchos haciendo difícil la valoración.

Los medidores de espesores, con palpadores de alta frecuencia apropiados, pueden trabajar hasta 0,2 mm y registrar las lecturas.

Se usan sobre todo en la valoración de la corrosión.En una tubería que transporte gas o líquido, un tanque de almacenamiento o un recipiente a presión se medirán en varios puntos, con intervalos repetidos para valorar el progreso de la corrosión o la erosión. Este ensayo se lleva a cabo desde la superficie exterior del material y determina la cantidad de la pérdida de metal por medio de la medida del espesor de pared.

4.6 REFLECTORES DE REFERENCIA

(LEYES DE LA DISTANCIA Y TAMAÑO)

En las inspecciones por ultrasonidos debemos tener en cuenta los diferentes efectos que se obtienen en función de:

- Tamaño del reflector longitud de recorrido del haz- Características del palpador (diámetro, frecuencia divergencia del haz)

4.6.1 Efectos de la longitud de recorrido del hazHay dos leyes de reflexión:

1) Para grandes reflectores se aplica la ley inversa2) Para pequeños reflectores se aplica la ley del cuadrado inverso

Situación 1): con el eco de fondo (EF1) como reflector a una distancia (a) y con una amplitud del 80% de atp, al doble distancia (2a) obtenemos un eco de repetición (EF2) cuya amplitud será la mitad del primero, es decir, del 40% atp.

Reflector grande: cuando el tamaño del reflector es mayor que la divergencia del haz.

Figura 4.11


aEF

a

2a4a

EI

EF1

EF2

EF4

80 % ATP

40 % ATP

20 % ATP

EF3

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Situación 2): un agujero de fondo plano (RF1) como reflector a una distancia ( b ) y con una amplitud del 80% de atp, al doble de la distancia (2b) obtenemos un eco de repetición (RF2) cuya amplitud será la cuarta parte de la del primero, es decir, del 20% atp.

Reflector pequeño: cuando el tamaño del reflector es menor que la divergencia del haz.

Figura 4.12

Si se traza una CAD para el eco de fondo (EF) y para un reflector de referencia (RF) en el mismo diagrama, se advertirá que la línea del reflector de referencia cae más rápidamente que la línea del eco de fondo.


Distancia EF1 Distancia EF2 Distancia EF4 Distancia EF8

( a ) ( 2a ) ( 4 a ) ( 8 a )

Amplitud eco Amplitud eco Amplitud eco Amplitud eco 80% ( ½ ) ( ½ ) de ( ½ ) ( ½ ) de ( ¼ ) ( ¼ ) ( 1/8 )

6 dB

12 dB

18 dB

40%

20%

10%

RF

b

b

2b4b

EI

RF1

RF2 RF4

80 % ATP

5 % ATP

20 % ATP

Distancia RF1 Distancia RF2 Distancia RF4 ( b ) ( 2 b ) ( 4 b )

Amplitud eco Amplitud eco Amplitud eco 80% ( 1/4 ) ( 1/4 ) de ( 1/4 ) ( 1/16 )

12 dB

24 dB20%

5%

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4.6.2 Efectos de la divergencia del haz

En todos los palpadores convencionales, excepto los focalizados, la divergencia del haz provoca una pérdida gradual de amplitud con la distancia desde el palpador. Este efecto se manifiesta además de cualquier otra pérdida debida a la dispersión o atenuación dentro del material.

Ejemplo:Supongamos un reflector de dimensión fija, como un agujero de fondo plano de 2,4 mm de diámetro, no sólo producirá diferentes alturas de eco a diferentes longitudes de recorrido de haz (Palpador 1), sino que también producirá diferentes amplitudes de eco en el mismo rango (recorrido del haz) desde palpadores de diámetros distintos (Palpador 2).

Palpador 1: monocristal, de compresión de 4 MHz y 10 mm de diámetroPalpador 2: monocristal, de compresión de 4 MHz y 25 mm de diámetro

El ángulo de semidivergencia del haz para cada palpador se determina por medio de la fórmula:

; K = 1,22

Por tantoPalpador 1 (Ø1 =10): ángulo de semidivergencia α1 ≈ 10º Palpador 2 (Ø2 =25): ángulo de semidivergencia α2 ≈ 4º

Anchura del haz a la distancia de 174 mm (situación del reflector de 2,4 mm):

Calculamos la anchura del haz para el palpador 1 = 60 mm (ver figura)

H1 = 177,5 mm

X1 = 30 Y1 = 2X1 = 60 mm

Figura 4.13


CSen α = K D . f

174 Cos α1 = H1

X1

Sen α1 = 177,5

D1

α 1 = 10º

30

174

N1 = 16,7

60

Reflector de referencia

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Calculamos la anchura del haz para el palpador 2 = 24 mm (ver figura)

H2 = 174,5 mm

X2 = 12 Y2 = 2X2 = 24 mm

Figura 4.14

Teniendo el reflector de 2,4 mm de diámetro localizado en el centro del haz para cada palpador, entonces la proporción del haz ocupado por el reflector es:

- Reflector (Ø = 2,4 mm) Área = π. R2 = 4,52 mm2.

- Palpador 1 (Ø =10): anchura del haz 60 mm de diámetro (situado donde el reflector) Área = 2827 mm2

- Palpador 2 (Ø =25): anchura del haz 24 mm de diámetro (situado donde el reflector) Área = 452 mm2

Porcentaje del área reflector respecto al área del Palpador 1 y Palpador 2:

Palpador 1 (Ø =10) = (4,52 / 2827)x 100 = 0,16%Palpador 2 (Ø =25) = (4,52 / 452)x 100 = 1%

Figura 4.15


174 Cos α2 = H2

X2

Sen α2 = 174,5

6024

D2

α 2 = 4º

174

N2 = 105

24

12

Reflector de referencia

α 1 = 10ºD2

α 2 = 4º

N2 = 105

N1 = 16,7

174

D1

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Explicación del resultado:El mismo reflector ocupa cerca de diez veces más del haz del palpador de 25 mm que del palpador de 10 mm. La amplitud del eco será mucho mayor en la presentación de la pantalla de 25 mm que en la de 10 mm.

Debe tenerse en cuenta que como la amplitud máxima está en el eje (centro del haz), cualquier ligero movimiento del palpador desde esta posición podría traducirse en una pérdida de señal detectable en el palpador de 10 mm (fig. 4.15).

Finalmente se debe comprender que para todos los reflectores pequeños se aplica la ley del cuadrado inverso a la distancia y al área del reflector, por tanto, un eco de área 4 mm2 producirá una amplitud que será la mitad de uno de 16 mm2, no 8 mm2.

Esto se puede usar para valorar el tamaño de un reflector cuando se emplea el método CAD, si el reflector detectado no cae exactamente en la línea del CAD.

Ejemplo: Elaboramos una curva CAD con la referencia de un agujero de fondo plano de 3 mm (el área A1 será conocida) y valoraremos el tamaño de un reflector detectado (calcularemos A2), pudiendo observar un eco de amplitud de 4 dB por debajo de la línea de referencia CAD.Calcular el tamaño del reflector ( Ø2 ).

Diferencia dB = 20 log10 ( Eco 1 / Eco 2 ) = 20 log10 (H1 / H2) = 4

Sustituimos: Eco 1 / Eco 2 por Área 1 / Área 2

Diferencia dB = 20 log10 (H1/ H2) = 20 log10 (A1 / A2) = 4 antilog dB = antilog (log10 (A1 / A2) = antilog 4 / 20 A1 / A2 = antilog 4 / 20 = antilog 0,2 = 1,58

A1 se conoce (reflector Ø1 = 3 mm) A1 = π R12 = 3,14 x 1,52 = 7 mm2

Conociendo A1, se puede calcular A2:

A1 / A2 = antilog 0,2 = 1,58 A2 = A1 / antilog 0,2 = 7 / 1,58 = 4,4 mm2

Por lo tanto: A2 = π R22 = 4,4 R2

= 1,2 mm (Ø2 = 2,4 mm)


4dB = log10 (A1 / A2) = 20

Tamaño del reflector: Ø2 = 2,4 mm

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4.7 METODO DGS

En el método DGS, en vez de trazar una curva para un tamaño de reflector sencillo, se traza un diagrama simple que contiene un rango completo de curvas distintas del reflector de referencia. Se obtiene de varias formas pero de dos tipos generales:

a) Un palpador específico a uno particular b) Un diagrama general, apropiado para cualquier palpador, llamado diagrama

normalizadoNOTA: los principios básicos se describen en la sección 4.1.

Para el diagrama DGS

Cuando se van a usar el palpador específico y el diagrama, hay dos posibilidades: emplear una versión en papel impreso o un diagrama en papel transparente sobre la pantalla, obtenido con el palpador para su uso directo sobre el equipo.

Están disponibles las escalas para el equipo / palpador específico, situadas enfrente de la pantalla del equipo. Para establecer la sensibilidad, el eco de fondo se lleva a la línea del EF y la cantidad de ganancia añadida. Se explora el objeto y la intersección del pico de eco de la discontinuidad con una de las curvas del diagrama da el tamaño del FBH (taladro de fondo plano) equivalente de la discontinuidad.

Lo anterior puede modificarse por circuitería electrónica que corrige las variaciones de la amplitud de distancia y da una línea FBH a la base de tiempos. Esto permite la monitorización automática de las señales de discontinuidades.

Para usar la versión de papel impreso, se debe hacer lo siguiente:

1. Sobre el componente

1.1 Maximizar el eco de la discontinuidad, llevar a la altura de media pantalla y registrar la ganancia1.2 Registrar la distancia a la discontinuidad1.3 En una sección libre de discontinuidades, llevar el EF a la altura de media pantalla y registrar la ganancia1.4 Registrar la distancia a la pared de fondo1.5 Restar 1.3 de 1.1 para obtener la diferencia de dB entre el eco de la discontinuidad y el EF

2. Para el diagrama específico

2.1 Marcar la curva EF en la profundidad requerida (1.4)2.2 Descender la diferencia de dB (1.5)2.3 Mover horizontalmente para intersectar con una línea trazada verticalmente a través de la profundidad de la discontinuidad2.4 La curva más cercana a este punto de intersección es el tamaño de FBH equivalente de la discontinuidad

Para usar el diagrama normalizado, los detalles de diámetro, frecuencia y longitud de la zona próxima del palpador en uso se deben descodificar y calcular.


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Diagrama normalizado

Figura 4.16

3. Para el diagrama normalizado

3.1 Calcular la longitud del campo próximo (N2) para el palpador3.2 Dividir el eco de la discontinuidad y las distancias EF (1.4 y 1.2) por la longitud N (campo próximo) para convertir esta distancia cercenasen campos próximos3.3 Usar el diagrama para obtener el factor S (2.1 - 2.4)3.4 Multiplicar el diámetro del palpador por el factor para obtener el tamaño de FBH equivalente

Ejemplo de trabajo

Usando el diagrama general (fig.4.10), ¿cuál es el tamaño de FBH equivalente para una discontinuidad de 35 mm de profundidad en un componente plano de 85 mm de espesor, cuando hay una diferencia de 14 dB entre el eco de la discontinuidad y el EF?

Palpador usado = 2 MHz, 10 mm de diámetro, monocristal , onda de compresión, sobre acero dulce de velocidad 6 x 106 mm/s

Primero: calcular la longitud del campo próximo del palpador N

N = D2 x f/4 x C = 102 x 2 x 106/4 x 6 x 106 = 200/24 = 8,33 mm


N = 8,33 mm

+ 14 dB

16 dB

N

S

V (dB)

Ensayo

Distancia de la discontinuidad = 35 mm

Esta distancia de la discontinuidad en campos próximos es: 35 / 8,33 = 4,2

Distancia EF = 85 mm

La distancia EF en campos próximos es: 85 / 8,33 = 10,2

Mover horizontalmente a través del diagrama 10,2 N sobre la línea EF dando un punto a V (dB) 16. Luego descender 14 dB verticalmente al diagrama a V (dB) 30. Mover a la derecha horizontalmente a la profundidad del defecto (4,2 N) dando una línea de DGS de S = 0,24.

Luego el tamaño equivalente al FBH es = 0,24 x 8,33 (la longitud N) = 2,00 mm

4.8 CURVAS CADEste método de evaluación de discontinuidades se basa en la comparación de la amplitud del eco de la discontinuidad con el de un reflector de referencia de tamaño especificado. Para tener en cuenta la variación de la amplitud del eco con la distancia, se traza una curva de una serie de reflectores a diferentes profundidades. Esta curva se transfiere a la pantalla del equipo, el componente se inspecciona y la amplitud de cualquier eco de discontinuidad se compara directamente con la curva. Si la CAD es la única base para la evaluación, cualquier eco de discontinuidad que aparezca por encima de la curva es rechazable, y los que están por debajo pueden registrarse si exceden el 50% de CAD.

Las CAD deben trazarse para cada tipo de reflector, cada palpador y cada rango de base de tiempos empleado. Así dan información valiosa sobre las características del equipo de ensayo, especialmente la habilidad para producir señales claras y con resolución de las discontinuidades de las superficies cercana y lejana del componente.

4.8.1 Para trazar las CAD (en equipos analógicos):1. Asegurar que el palpador y el bloque de referencia estén limpios, de tal forma que se pueda conseguir el acoplamiento uniforme.2. Ajustar la base de tiempos para el rango deseado.3. Dirigir el palpador a cada reflector para determinar cuál proporciona el eco de mayor respuesta.4. Por medio del movimiento del palpador, maximizar el eco del taladro más significativo (3), hacia arriba, conduciéndolo a un nivel de referencia, como, por ejemplo, 80% FSH (ATP: altura total de pantalla). Marcar el pico del eco sobre la pantalla y registrar la ganancia establecida.5. Con la sensibilidad anterior, obtener y marcar máximas respuestas de eco de los reflectores de referencia que quedan.6. Unir los puntos para formar una curva.7. Transferir la curva CAD a un plástico transparente, que se puede situar sobre la pantalla del equipo para un uso futuro.


Tamaño FBH equivalente de la discontinuidad detectada = 2 mm

Ensayo

En la mayoría de los equipos digitales actuales se procede de manera similar pero el rango del campo es algo que podemos variar sin que afecte a la curva CAD y la curva te la representa el equipo en pantalla con los diferentes puntos seleccionados para la elaboración de la misma.

Bloque de referencia de taladros de fondo plano (palpadores normales)

( Taladros de Ø = 3 mm )

Figura 4.17

Bloque de referencia de taladros laterales (palpadores normales)

Figura 4.18

Bloques de referencia de taladros laterales (palpadores angulares)

Figura 4.19


1 2 3 4 5 6 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

RF3 RF4

ab c d

RF1 RF2

a

b

d

EI

RF1

RF2

RF4

80 % ATP

RF3

c

1 2 3 4

1 2 3 4

Ensayo

Debido a los efectos del campo próximo, el agujero más próximo al palpador puede no dar la mayor respuesta de eco, debido a las fluctuaciones de amplitud en el campo próximo.

El palpador debe explorar sobre un rango de reflectores de referencia para determinar cuál proporciona la mayor amplitud, antes de que se pueda trazar la curva CAD.

4.9 CORRECCIÓN DISTANCIA / AMPLITUDLa amplitud de un reflector dado decrece con el incremento de la distancia desde el palpador. Esto es causado por:

a) Absorción dentro del materialb) Dispersión dentro del materialc) Divergencia del haz (geometría)

La función primaria de la corrección de la distancia/amplitud es reconocer y trazar la divergencia del haz (apartado c de esta lista). El control de los otros efectos (apartados a y b) se tratarán más adelante.

Por ejemplo, representamos la curva del EF y la de un reflector conocido (taladro lateral de 3 mm):

Figura 4.20

En la figura 4.20, el pico de la curva indica el final del campo próximo para un palpador particular y enfatiza la importancia de localizar esta ubicación del reflector de amplitud máxima antes de trazar la curva CAD.

Es también una guía de utilidad de la longitud del campo próximo “real” del palpador mejor que la obtenida por el cálculo.


Línea EF(Ganancia Referencia – 24dB)( 80 % ATP )

Curva CAD(Taladro lateral de 3 mm )(Ganancia Referencia – 38 dB)( 80 % ATP )

Punto de máxima amplitud(final del campo próximo)

0 10 20 30 40

50 60 mm

Ensayo

La línea superior es la línea EF, que no se solicita siempre, pero puede ser de utilidad en un material dado para determinar cualquier pérdida de amplitud causada por el material sometido a ensayo o por cambios en la combinación equipo/discontinuidad. Téngase en cuenta que la sensibilidad de referencia será distinta para el reflector (38 dB al 80% ATP) si se compara con la del EF (24 dB al 80% ATP) y debe registrarse en el diagrama.

En todos los casos, la elaboración de las curvas CAD son específicas para el material y el palpador y, por tanto, se debe registrar la siguiente información:

1. Tipo y tamaño del reflector2. Profundidad del reflector usado para obtener la sensibilidad3. Sensibilidad de referencia (establecimiento de la ganancia)4. Rango de la base de tiempos (Campo)5. Equipo6. Corrección de la transferencia

4.10 CORRECIÓN DE LA TRANSFERENCIA (SUPERFICIE Y ATENUACIÓN)

La CAD se traza empleando los bloques mecanizados con superficies planas, hechos de grano fino y material libre de discontinuidades. Por otra parte, el componente sometido a ensayo puede tener una superficie rugosa, curva, y estar hecho de grano más grueso, de un material mucho más atenuante.

Para compensar esto, se debe realizar una corrección de la transferencia. Es decir se trata de la diferencia de ganancia (dB) entre los ecos de la pared de fondo del componente y de los bloques de referencia.

La superficie rugosa de la parte sometida a ensayo provocará difusión (dispersión) de la señal en esta interfaz, reduciendo la amplitud provocada por las operaciones de transmisión y recepción. El tamaño de grano grande en el material (en particular con palpadores de alta frecuencia) produce la difusión del haz en el material, causando otra vez pérdida de amplitud.

Hay que considerar la naturaleza del material en sí mismo comparado con el material de referencia. Las diferencias en el tratamiento térmico, el trabajo y el análisis químico pueden provocar ligeros cambios en la transmisión en los materiales y diferencias en la absorción de la energía ultrasónica mientras pasa a través del material de ensayo.

Resumen de la pérdida de amplitud de señal

1. En la interfaz entre los dos medios: impedancia acústica2. Caída de 6 dB para cada EF en campo lejano: extensión del haz3. Pérdida de energía en la transferencia de energía de átomo a átomo: absorción4. Reflexión del haz en los bordes de grano: difusión (dispersión)

La combinación de 3 y 4 se llama atenuación.


Ensayo

AtenuaciónMientras el sonido viaja a través de un medio, su energía se reduce por la interacción con el material. Estos efectos se ven por una reducción en la longitud del eco de pared de fondo (EF) con la distancia. Dos mecanismos contribuyen a este efecto:

1. Absorción: parte de la energía ultrasónica se perderá al superar la fricción interna dentro del material. La cantidad dependerá de la naturaleza del material:

- Alta absorción en material de baja densidad y poca resistencia- Baja absorción en un material de alta densidad y gran resistencia

2. Difusión (dispersión): los metales contienen granos orientados al azar, en cuyos bordes se pueden reflejar los ultrasonidos si son lo suficientemente grandes. Ésta es la principal fuente de atenuación en los materiales industriales y es un factor importante para determinar si el material puede ser ensayado ultrasónicamente.

La cantidad de difusión se determina por la relación entre el tamaño del grano y la longitud de onda, y sólo es significativa cuando está entre una décima y una centésima de una longitud de onda. El ultrasonido dispersado produce numerosos ecos pequeños, que pueden enmascarar los ecos de las discontinuidades. Incrementando la ganancia aumenta la altura de estos ecos o señales parásitas, reduciendo con ello la detectabilidad de las discontinuidades y el espesor del material que se puede penetrar. El uso de palpadores de frecuencia más baja (de mayor longitud de onda) reducirá la cantidad de difusión, pero sólo detectará discontinuidades más grandes.

Otros factores que pueden producir difusión son la presencia de porosidad fina, inclusiones o contracciones. En hierros fundidos, el tamaño, la forma y distribución del grafito afectará a la cantidad de difusión, y la orientación del grano influirá también en la propagación del ultrasonido.

Valoración de la atenuación A causa de su influencia sobre el ensayo ultrasónico, la atenuación debe valorarse antes de la inspección del material para detectar discontinuidades.

1. Diferencias EF:Llevar el primer EF a un nivel de referencia sobre la pantalla (80% de la altura de la pantalla completa “ATP = FSH”) y registrar el control de la ganancia en dB.

Llevar el segundo EF al mismo nivel de referencia y registrar la lectura del control de ganancia.

La diferencia en las dos lecturas se puede relacionar con la atenuación en el material.

2. Coeficiente de atenuación:El citado método no tiene en cuenta el efecto de la extensión del haz o del espesor del material. Para hacer esto se restan 6 dB de la diferencia en EF para permitir la extensión del haz, y la cifra resultante se divide por el espesor del material para obtener el coeficiente de atenuación en dB/mm.


Ensayo

Por tanto, la fórmula para calcular el coeficiente de atenuación será:

Este método sólo puede usarse si se dan las siguientes condiciones:a) El primer EF debe estar a una distancia de, al menos, tres campos próximosb) Las superficies externa y del fondo deben ser paralelasc) La extensión del haz no está restringida por las paredes

Otros métodos simples para obtener la corrección de la transferencia son:a) Trazar una CAD para el EF desde los bloques de referencia y anotar la

ganancia requerida para llevar el eco de fondo del componente a esta curva. b) Alternativamente, anotar la diferencia de ganancia entre el eco de fondo del

componente y el eco de fondo de un bloque de referencia.

Este factor de corrección se añade a la ganancia de referencia cuando se lleve a cabo la valoración de la discontinuidad.

4.11 TÉCNICAS DE DIMENSIONAMIENTO, PRINCIPIOS Y LIMITACIONES

Se debe hacer referencia a la norma EN583-5

Como se indicó anteriormente, hay básicamente dos tipos de métodos de dimensionamiento en ensayos manuales o por inmersión:

4.11.1 Geometría del haz; 20 dB, 6 dB y localización de la inclinación del eje

Anotando la variación en la respuesta del eco con el movimiento del palpador, se puede trazar la discontinuidad empleando los sistemas anteriores. Estos métodos requieren un conocimiento detallado de la geometría / forma del haz (métodos de 20 dB y 6 dB) o un conocimiento exacto de la localización de la máxima amplitud (localización de la inclinación del eje del haz).

Aplicación de estos métodos:

Dimensionamiento de 20 dB:Se traza sobre el rango un borde del haz de las profundidades de las discontinuidades a investigar y, como la amplitud de la señal es el único medio de determinar este borde, se debe convenir un nivel específico de amplitud (por ejemplo, el borde de 6 dB o el borde del haz de 20 dB). Esta referencia de 20 dB es la caída de amplitud desde el eje del haz al borde del mismo, y para el ensayo manual, debe determinarse por el movimiento del palpador a través de la superficie de un bloque de referencia.

La presión constante de la mano es esencial para una determinación exacta de la caída de 20 dB con una superficie uniforme por la que el palpador debe moverse.


EF1 - EF2 - 6 dBCoeficiente de atenuación = 2 x espesor del material

Ensayo

Esto es mucho más fácil de llevar a cabo en el ensayo por inmersión, ya que se consigue más fácilmente un acoplamiento constante.

Dimensionamiento de 6 dB:En este caso, se hace referencia, generalmente, al eje del haz para localizar el borde de las discontinuidades. Se mueve el palpador hacia la posición de máxima amplitud de la discontinuidad hasta que este eje se encuentre con el borde del defecto y haya una caída de 6 dB. No se requiere la actual geometría del haz, pero sí un conocimiento exacto de la posición del eje.

Para los palpadores angulares, esto está localizado desde el punto de salida del haz y el ángulo del haz, pero para los palpadores normales (de compresión) no hay una clara posición del punto de salida y así el centro debe estimarse.

Método de la amplitud maxima:Como también se basa en el eje del haz, se aplica el mismo criterio anterior. Sin embargo, se da además el requisito de que el operador puede reconocer el tipo de discontinuidad a partir del eco, determinar la posición central de la misma y, por medio del movimiento del palpador, determinar sus dimensiones.

4.11.2 Reflectores de referencia, CAD y DGSLos ecos de las discontinuidades se comparan con los de los reflectores de referencia, generalmente taladrados en el lateral o de fondo plano y un tamaño equivalente asignado a la discontinuidad.

Usar los reflectores de referencia es más rápido y simple que los métodos de geometría del haz, pero no tiene en cuenta la orientación de la discontinuidad ni su tipo. Sólo los métodos de la geometría del haz pueden dar un tamaño verdadero, aunque la exactitud obtenida dependerá de la geometría del componente, la condición de la superficie y el material, el equipo usado y la destreza y experiencia del operador.

Los métodos del reflector de referencia dependen menos del operador y pueden emplearse para visualizar discontinuidades no aceptables y cualquier otra indicación que sea valorada por la geometría del haz. En ciertas situaciones como en la inspección de los productos forjados, en los cuales las discontinuidades pueden alinearse, o en la laminación de chapas, los métodos del reflector de referencia pueden emplearse exclusivamente para el dimensionamiento de las discontinuidades.

En el método del reflector de referencia, el eco de la discontinuidad se compara con el de reflector mecanizado (corte, estriado, EDM o taladrado), cuya superficie será lisa y uniforme.

La discontinuidad que se está valorando es improbable que tenga una superficie lisa y uniforme; incluso una grieta tendrá facetas, así que la comparación directa no es posible. Además, los agujeros de fondo plano están mecanizados y son paralelos a la superficie de la pieza, pero incluso las discontinuidades de laminación no son absolutamente paralelas a la superficie del material.

Por lo tanto, no es posible dar tamaños de discontinuidades empleando el método del reflector de referencia, sólo un tamaño de reflector equivalente.


Ensayo

4.11.3 Orientación de la discontinuidadEn los métodos de geometría del haz, se puede valorar la orientación de la discontinuidad anotando la variación de la respuesta del eco con el movimiento del palpador. Es el denominado modelo ecodinámico. (En inspección de soldaduras es preciso hacer referencia al trabajo detallado en la norma EN ISO 23279).

La variación de la respuesta del eco con el ángulo del palpador puede también dar información sobre la orientación de la discontinuidad. Esta valoración se basa en la obtención de la amplitud del eco máximo cuando el haz ultrasónico intercepta el eje de la discontinuidad bajo ángulos rectos. Para ello se debe escoger un palpador angular apropiado:

a) La revisión de la laminación en chapa requerirá generalmente un palpador normal (de 0º - ondas de compresión).

b) La falta de fusión en la pared lateral de una preparación de bordes en V de 60º de soldadura a tope requeriría un palpador angular de 60º.

c) Una falta de penetración de raíz en una soldadura a tope en V requeriría un palpador angular de 70º (o mejor, de 80º) para poder interceptar el defecto tan cerca como sea posible de 90º.

d) Una exploración de raíz en una soldadura a tope simple en V sería mejor realizarla con un palpador de 45º; no interceptará la discontinuidad a 90º pero interceptará el borde de la preparación de raíz en el centro a 45º.

4.12 EXPLORACIÓN

Continuando con soldaduras, para realizar una exploración completa de las mismas debemos hacer referencia a la norma EN ISO 17640, en la cual se especifican los siguientes requisitos:

- Punto 8 / norma EN ISO 17640. Preparación de las superficies de la exploración “Las superficies de exploración serán lo suficientemente amplias, de tal forma que permitan que el volumen de examen (ver fig. 4.21) se cubra totalmente. De forma alternativa, la anchura de las superficies de exploración puede ser menor si se consigue una cobertura equivalente del volumen de examen explorando desde la superficie de arriba y de debajo de la unión soldada.

Las superficies de exploración serán regulares y libres de cualquier materia extraña que pueda interferir con el acoplamiento del palpador (por ejemplo óxido, libre de incrustaciones, de proyecciones de soldadura, de muescas, ranuras).

La rugosidad de la superficie de ensayo no provocará una separación entre el palpador y las superficies de ensayo mayor de 0,5 mm. Estos requisitos deben cumplirse, si es necesario, mediante la impregnación con un líquido. Las variaciones locales en el contorno de la superficie, por ejemplo, a lo largo del borde de la soldadura, que provoquen una separación por debajo del palpador de hasta 1 mm sólo se pueden permitir si al menos se emplea un palpador adicional desde el lado afectado de la soldadura. Esta exploración adicional es necesaria para compensar la cobertura de la soldadura reducida que se producirá con una separación de esta dimensión. En todos los casos, el espacio máximo permitido sobre las áreas de la superficie de ensayo desde las que se realizará la evaluación de las indicaciones será de 0,5 mm. Las superficies de exploración y las superficies desde las que el haz del sonido se refleja pueden considerarse satisfactorias si la rugosidad de la superficie, Ra, no es mayor de 6,3 µm para superficies mecanizadas, o no mayores de 12,5 µm para superficies rectificadas”.


Ensayo

En otras palabras, el acoplamiento del palpador a la superficie debe ser tan bueno como sea posible:

a) Reflejar el acoplamiento alcanzado con los bloques de referencia si se va a usar el método del reflector de referencia.

b) Maximizar la energía acústica que pasa al material, incrementa el potencial para la localización del reflector más pequeño requerido por el procedimiento.

Figura 4.21

Se examinará la totalidad del volumen de la soldadura, incluso la zona afectada por el calor (ZAC). La norma requiere 10 mm a cada lado del área soldada a examinar (ver figura 4.21), y como los reflectores en la chapa de metal base podrían interferir con el tránsito del sonido al área de soldadura, en palpador angular de medio salto y de salto completo, esta área de exploración debe también examinarse antes de la inspección de la soldadura.

- Punto 9 / norma EN ISO 17640. Ensayo del metal base “El metal base, en el área de zona de exploración, se examinará con palpadores de haz recto antes o después del soldeo, a menos que se pueda demostrar (p. ej., por exámenes previos durante el proceso de fabricación) que el examen de la soldadura con un palpador angular no estará influenciado por la presencia de discontinuidades o una alta atenuación.Cuando se encuentren discontinuidades, se evaluará su influencia en el examen con haz angular y, si es necesario, se ajustarán las técnicas apropiadamente. Cuando la cobertura satisfactoria por medio de examen ultrasónico esté seriamente afectada, se considerarán otros métodos de inspección (como la radiografía)”.


Ensayo

Dependiendo del método elegido para la inspección, el equipo y la combinación del palpador deben ajustarse para buscar el rango (campo) apropiado (longitud de la trayectoria del haz) y la amplitud de referencia (establecimiento de la ganancia) o sensibilidad. Sin embargo, como el área cubierta puede ser grande, tal vez la superficie no sea uniforme y la eficiencia del acoplamiento no sería constante.En este sentido la norma recomienda lo siguiente:

- Punto 10 / norma EN ISO 17640. Ajuste del rango y sensibilidad (10.1 General)“El ajuste del rango y la sensibilidad se llevará a cabo antes de cada examen, de acuerdo con esta norma y la norma EN 583-2. Las revisiones para confirmar estos ajustes se llevarán a cabo al menos cada 4 h y a la finalización del examen. Las comprobaciones también se llevarán a cabo siempre que se cambie un parámetro del sistema o se sospechen cambios en los ajustes equivalentes. Si se encuentran desviaciones durante estas comprobaciones, se llevarán a cabo las correcciones dadas en la tabla 2 de la norma”.

Se debe hacer siempre referencia a la especificación / norma EN para confirmar el estado de emisión real y la uniformidad del proceso de inspección en el ámbito europeo.

4.13 Tándem (zonas)

La localización y dimensionamiento de los reflectores que están a 90º respecto de la entrada de la superficie presentan problemas particulares cuando se intenta interceptarles con un haz normal a la superficie. Los palpadores angulares de 70º no serán siempre adecuados y los palpadores de 80º u 85º producen ondas superficiales generando ecos falsos (aleatorios).

Continuando con soldaduras las zonas dentro del material que son difíciles de inspeccionar empleando técnicas de palpadores simples convencionales son:

La base de la soldadura El área del sobre-espesor, donde no hay acceso desde el lado de raíz de la

soldadura La raíz de una soldadura en X

Las grietas poco profundas en el centro de la soldadura pueden ser también un problema, particularmente si el sobre-espesor de la soldadura fuera muy basto, ya que esto produciría otros ecos no relevantes que enmascararían los de la grieta.

Debido a la orientación vertical de las caras de raíz en una soldadura en X, cualquier aplicación de palpador simple es poco probable que reciba una señal de rebote de la cara de raíz (ver TOFD más adelante) y así, es mejor una técnica de dos palpadores relacionada con el espesor del material sometido a ensayo y debe mantenerse durante toda la exploración.

Técnica de TándemEsta técnica que se muestra en la figura 4.22 se emplea para la localización de las discontinuidades de raíz en una preparación de soldadura en X.


Ensayo

Palpador transmisor Palpador receptor

Figura 4.22

Una variante de esto, descrita anteriormente (técnica de transmisión), tiene los palpadores el uno frente al otro, a cualquier lado de la soldadura, pero en esta configuración sólo se puede averiguar la presencia de una discontinuidad, sin precisar su localización ni su tamaño.

4.14 Selección de palpadores para obtener la resolución requerida y reducir el ruido (tipo, frecuencia y tamaño)

Los requisitos básicos están contenidos en la norma EN 12668-2, pero se resumen en:

ResoluciónDonde dos (o más) reflectores están a distancias similares del palpador y ambos dentro del perfil del haz, entonces se generarán los ecos de ambos reflectores y aparecerán juntos en la base de tiempos. Si la longitud del impulso desde el palpador es larga, entonces será difícil separar los dos ecos, pero si el impulso es corto, las señales de cada reflector serían visibles, separadas en la base de tiempos. A esto se le llama resolución y se dice que los ecos están resueltos.

Como se ha tratado anteriormente, la longitud del impulso se determina por la atenuación en el palpador. Así, para tener la mejor resolución de detalle fino, se precisaría un palpador de gran atenuación.

Otro rasgo que puede afectar la longitud del impulso es la frecuencia del palpador; cuanto más alta es la frecuencia, más corta es la longitud del impulso. Así a menudo una combinación de atenuación y frecuencia dará la mejor solución.

La duración del impulso debe revisarse regularmente (EN 12668-3: Punto 3.4.4) para confirmar que no hay pérdida de atenuación debido al daño mecánico o despegue entre el amortiguante y el cristal.

Esta mejora en la resolución da lugar a una pérdida de penetración debido a la fuerte atenuación del transductor, de tal manera que si la soldadura que se va a inspeccionar es de una sección gruesa o requiere un amplio recorrido del sonido, entonces se requiere un palpador de atenuación baja con la consiguiente pérdida de resolución. Igualmente, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la atenuación, debido a los efectos de interferencia de grano, así que cuanto mayor es la frecuencia menor será la penetración en un material de grano grueso.

Tamaño


Ensayo

Los palpadores de diámetro pequeño permiten el acceso a las áreas difíciles de la soldadura, pero también presentan una mayor divergencia del haz (si no están focalizados), así que el fácil acceso de palpadores de diámetros pequeños puede hacer que la penetración sea reducida, ya que el haz pierde rápidamente energía con la distancia.

TipoPara una resolución próxima a la superficie, los palpadores de doble cristal ofrecen una mejor opción que los monocristales merced a su reducido campo próximo dentro del material, y la pérdida completa de zona muerta en la base de tiempos, lo que hace que las inspecciones con oscilaciones cortas sean más prácticas.

RuidoEl ruido lo constituyen las señales no deseadas, no relevantes, presentes en la base de tiempos, que no están asociadas con discontinuidades (sobre-espesores de soldadura desconocidos o falta de fusión) pero aparecen con los siguientes parámetros:

Condición de la superficie Estructura del grano Interferencia eléctrica Desajuste del ancho de banda Amplificadores electrónicos Atenuación del palpador

La mayor parte de este ruido puede eliminarse por medio de un control cuidadoso del equipo (EN 12668-3), la especificación del equipo, la selección del palpador y el mantenimiento. La preparación de la superficie previa a la inspección puede influir sobremanera en la reducción del acoplamiento y del ruido.

La presencia de ruido en el sistema se demuestra más claramente por un número de señales de bajo nivel a lo largo de la base de tiempos. Sin embargo, las superficies rugosas producirán ecos falsos (aleatorios) al principio de la base de tiempos (posición 0); es usual su eliminación mediante un esmerilado.

El problema con la estructura del grano es que, aparte del ruido, también produce pequeños ecos a través de la base de tiempos que pueden confundirse con el ruido. El cambio a una frecuencia más pequeña reduce estos ecos, y pueden eliminarse como causa del ruido.

Ajustando el amplificador a la frecuencia del palpador, las frecuencias específicas del palpador pueden amplificarse y las de las señales falsas, amplificadas a una amplitud menor, pueden reducirse, localizando el área de inspección lejos de las fuentes de interferencia eléctrica tales como el equipo de soldadura.

Relación señal-ruidoSe deben realizar revisiones regulares de la relación S/R (EN 12668-3: Punto 3.4.3) para confirmar el daño mecánico, la interferencia eléctrica o problemas de enlace que reducen la proporción S/R.

Se requiere generalmente una relación señal-ruido de 3 a 1 como mínimo.


Ensayo

4.15 Inmersión

Hablando estrictamente, en el ensayo de contacto, el palpador no está en contacto con la superficie sometida a inspección, sino acoplado a ella por una película delgada de líquido o gel. Este acoplamiento se utiliza para eliminar el aire, a través del cual los ultrasonidos se desplazan deficientemente. Con el movimiento del palpador, existe la pérdida potencial de este acoplamiento, ya que la película está distribuida sobre la superficie inspeccionada, resultando una amplitud de señal de los reflectores variable.

Si la evaluación de las discontinuidades y su dimensionamiento se realizan basándose en la amplitud del eco (como la técnica CAD), puede entonces resultar una infra-estimación del tamaño del reflector.

Otra forma de acoplar el sonido desde el palpador al objeto de ensayo es mediante agua. Esto se puede hacer con boquillas en las que el sonido se desplaza a través de un chorro de agua o sumergiendo el transductor y el objeto de ensayo en un tanque de agua. Ambas técnicas se llaman “ensayo por inmersión”.

La presentación A-scan de las localizaciones del eco usando la técnica de inmersión es ligeramente diferente a la de la técnica de contacto en la que, entre el impulso inicial y los picos de la pared de fondo, habrá un pico adicional causado por la onda de sonido pasando al material de ensayo desde el agua. Este eco se llama “de pared frontal” o eco de la superficie de entrada. El equipo puede ajustarse a través del control de retardo para ignorar el impulso inicial, así que lo que el primer eco mostrará es el de la pared frontal. Se pierde alguna energía cuando las ondas inciden en el material de ensayo, así que el pico de pared frontal es ligeramente menor que el del impulso inicial.

La enorme ventaja de esta aplicación de inmersión es el acoplamiento constante y cercano que proporciona. La amplitud del eco, tal como BWE, puede emplearse para determinar de forma exacta la atenuación en el material sobre una gran área, y también monitorizar el ángulo de entrada de la señal, dados los niveles que se pueden alcanzar. Esto conduce a un mayor nivel de confianza en el dimensionamiento de la discontinuidad y su evaluación.

Para la detección típica de límites de grano en las estructuras o componentes de acero de grano fino (ensayo de contacto), que son defectos de tamaño milimétrico, las discontinuidades más pequeñas pueden detectarse por el ensayo de inmersión y mediante exploración automática con una mayor frecuencia de ultrasonido. El ensayo es más lento, pero los límites de la detección están en el orden de 0,1 a 0,2 mm, aunque incluso reflectores más pequeños (0,04 mm de diámetro) pueden detectarse en condiciones de laboratorio.

4.16 TOFD

Para entender TOFD (Time of Flight Diffraction = recorrido del sonido de la señal de difracción), se requiere una comprensión de las leyes simples de la reflexión, como se ha visto en la Ley de Snell.

Reflexión especular frente a reflexión difusaUna vez que se traza una normal a la superficie en punto de incidencia, el ángulo de incidencia se puede determinar. La onda ultrasónica se refleja de tal forma que el



Este punto tambien se trata en 4.4 valorar la posibilidad de fusionarlo

Ensayo

ángulo de incidencia es igual al de reflexión (de igual modo de onda). Esta ley de la reflexión se aplica a la reflexión del ultrasonido en las superficies horizontales, verticales, de ángulo, e incluso superficies curvadas. Siempre que la normal (línea perpendicular a la superficie) pueda trazarse en el punto de incidencia, se puede medir el ángulo de incidencia y se puede determinar la dirección del haz reflejado.

Sin embargo, el haz de ultrasonidos no es una simple línea sino que tiene cierta anchura. Cada parte del haz incide sobre la superficie sobre un área pequeña cuyo tamaño depende de la anchura del haz.

Si esta reflexión es en una superficie en forma de espejo plano (plana) se dice que la reflexión es “especular”. La mayoría de las discontinuidades que reflejan ultrasonidos no son lisas microscópicamente.

La reflexión de las superficies rugosas tales como grietas, inclusiones de escoria y desgarros laminares, crean difusión (dispersión) del sonido, rompiendo la uniformidad del haz. Este tipo de reflexión se conoce como reflexión “difusa”.

La figura 4.23 representa dos haces de incidencia de ultrasonidos sobre una superficie rugosa y otra lisa.

Reflexión especular Reflexión difusa(superficies lisas) (superficies rugosas)

Figura 4.23

En la técnica de impulso-eco convencional, se analizan las reflexiones especulares. Estas pueden ser desde la superficie plana de una falta de fusión de pared lateral o desde una pequeña faceta de una inclusión de escoria irregular. Donde la técnica TOFD difiere es que detecta las señales difractadas de los extremos de reflectores como esquinas y bordes de grietas.

En el modo tándem se emplean dos palpadores de ondas de compresión angulares, uno a cada lado de la soldadura. A causa de la anchura del haz (divergencia), en espesores de chapa moderada, se cubre la mayoría del espesor del área soldada. Para componentes más gruesos puede requerirse más de una preparación de un palpador en relación al otro.

Figura 4.24


Ensayo

Cuando el sonido incide en la punta de una grieta, ésta actúa como un emisor secundario que dispersa el sonido en todas direcciones, algo de lo cual detecta el palpador receptor. Esta difusión crea una señal pero hay otras útiles para la inspección.

La inspección mediante la técnica TOFD produce de hecho tres señales útiles a causa de la disposición de los palpadores, de tal modo que uno emite y el otro recibe.

La primera es la onda superficial, causada por la propagación del sonido entre el transmisor y el receptor en una dirección directa justo bajo la superficie de examen que se muestra como “1” en la figura 4.25.

La segunda señal, LL, es la primera de la pared de fondo, causada por la reflexión directa de la onda L en dicha pared. Esto se muestra como “4” en la figura. Una tercera señal es otra de pared de fondo creada por conversiones de modo sobre esta superficie (onda longitudinal a onda transversal). A causa de su velocidad menor, esta señal se produce más allá del eco 4 y no se considera.

Durante una exploración normal, las tres señales aparecen consistentemente. Sin embargo, cuando se presenta una discontinuidad, las señales aparecerán en la pantalla entre la onda superficial 1 y la pared de fondo LL, señal 4. La profundidad de la discontinuidad puede calcularse a partir del tiempo de llegada de las señales de discontinuidades hasta el tiempo de llegada de la señal LL y la distancia de separación del palpador.

Figura 4.25 Técnica TOFD

Debido a la amplitud baja de las señales difractadas, la técnica TOFD se lleva generalmente a cabo usando un preamplificador y un hardware diseñado para mejorar la relación señal-ruido. Como los palpadores están explorando a lo largo de la soldadura, las señales en RF de la presentación A scan son digitalizadas y visualizadas en forma de imagen de escala gris, y muestran imperfecciones como bandas alternas blancas y negras.

Dependiendo de la dirección en que los palpadores se mueven sobre la superficie del componente, es posible construir secciones transversales con una vista frontal (presentación B scan TOFD) o vista lateral (presentación D TOFD). La técnica TOFD puede también utilizar enfoque de apertura sintética o software de modelado de haz para minimizar los efectos de la divergencia del haz y, por lo tanto, dar una información más exacta de la localización y las dimensiones.


Ensayo

Figura 4.26

Aunque la técnica TOFD es relativamente fiable, tiene limitaciones. Debido a la anchura de la onda superficial L, su superficie y sensibilidad superficial cercana se reducen por la anchura de esta señal de onda eliminando las discontinuidades superficiales cercanas.

Lo mismo se aplica para la inspección de soldaduras en placas delgadas, por ejemplo menores de 10 mm, donde la diferencia de tiempo entre las señales de la onda superficial y la de la onda LL se reduce significativamente al emplear palpadores con impulsos cortos.

Factores que influyen en el examen son: Frecuencia: una frecuencia mayor reduce la duración del impulso que

aumenta el intervalo de la base de tiempos entre la señal de onda superficial y la señal LL, pero puede reducir la penetración.

Amortiguación de palpador: una amortiguación fuerte reduce la anchura del impulso y la sensibilidad.

Separación de los palpadores: separaciones pequeñas de los palpadores aumentarán la diferencia de tiempo entre las señales de onda superficial y las de ondas LL. La separación de los palpadores se establece normalmente con intersección del haz de 2/3 t a t (t es el espesor de la chapa).

La técnica TOFD se reconoce generalmente como la técnica ultrasónica más exacta para medir la profundidad de discontinuidades planas perpendiculares a la superficie y como un método para detectar y cuantificar las grietas de corrosión en la raíz de la soldadura. Se usa ampliamente en las industrias petroquímicas y nucleares para la inspección de soldaduras a tope en recipientes a presión y tuberías, y es a menudo usada para dar datos de dimensionamiento de discontinuidades críticas como entrada de Valoraciones Críticas de Ingeniería (VCE).

La técnica TOFD es adecuada para la detección y dimensionamiento de todos los tipos de discontinuidades internas, especialmente las planas. Sin embargo, la detección de pequeñas imperfecciones superficiales cercanas puede ser más difícil, debido a la presencia de la respuesta de ondas laterales que a menudo ocupan varios milímetros de la capa superficial.

La técnica es menos fiable cuando hay muchos reflectores tales como porosidades agrupadas o inclusiones de escoria múltiples, y en materiales de grano grueso como algunos aceros inoxidables.


Ensayo

4.18 Phased Array

Un palpador convencional de ultrasonidos consiste en un elemento piezoeléctrico único, mientras que para la técnica Phased Array hay múltiples elementos piezoeléctricos contenidos en el palpador. Cada elemento piezoeléctrico está controlado de forma independiente por medio de la temporalización electrónica de los impulsos, para sintetizar estos trenes de ondas individuales que entonces pueden dirigirse y gobernarse. El resultado de este control es un haz ultrasónico.

Por ejemplo, con un retraso conveniente entre la activación de cada elemento del palpador, la interferencia debida al haz sonoro producido por cada elemento causa que el frente de la onda se curve y se enfoque.

En vez de un palpador monoelemento, un Phased Array tiene múltiples elementos. Por ejemplo, la figura 4.27 muestra un ejemplo con 16 elementos, cada uno de los cuales está en gris.

Las líneas verticales por encima de estos elementos grises representan el retraso en la temporalización del impulso entre la activación del primer elemento (a la izquierda), mostrado como una línea corta, hasta el último a la derecha, mostrado como una línea larga.

Figura 4.27

Como cada elemento envía un frente de onda circular, el frente de onda desde el siguiente elemento interfiere con él (Huygens), pero en vez de crear un frente de onda uniforme a 0º (p. ej., un haz de compresión normal), a causa del retraso entre la activación de cada elemento, esta interferencia tiene lugar de forma creciente a la derecha de la cara del palpador.

Con esta disposición de impulsos regulares retrasados uniformemente a la derecha, la interferencia resultante entre el tren de ondas individual produce un frente de ondas que está inclinado hacia la derecha.

Figura 4.28


Frente de onda

16 elementos pulsados individualmente

Retraso del tiempo para

cada elemento

Palpadorde 16

elementos

Ensayo

Composición de un palpador phased array (multi-elemento)

Figura 4.29

Ajustando el modelo de retraso se puede conseguir modificar el haz, como, por ejemplo, focalizarle.

Figura 4.30

En la figura 4.30, los elementos en los bordes del palpador se accionan primero, y los elementos centrales al final. Con esta forma de modelo de retraso resulta que la interferencia empuja el frente de la onda conjuntamente al centro y crea un ‘foco’ o punto focal para el haz.

El periodo de retraso entre los elementos determinará la longitud focal y los modelos de retraso cortos resultarán en longitudes focales largas mientras que los retrasos largos resultarán en longitudes focales cortas.

La figura 4.30 es una representación del efecto de focalización para un conjunto de intervalos de tiempo entre la activación de los elementos individuales. El frente compuesto de la onda está focalizado sobre un punto dado, retrasando la temporalización transmisora del haz de los elementos piezoeléctricos localizados en la mitad de la serie, de lo que resulta un efecto similar al que da un palpador focalizado. Este escaneo electrónico (movimiento del haz) se realiza accionando grupos de elementos sucesivos en la serie. El orden del modelo determina la dirección y el modelo del haz resultante.

Mientras que un palpador convencional tiene una longitud focal y una orientación determinada, un palpador de Phased Array permite al usuario cambiar la forma y el punto focal del haz ultrasónico para optimizar cada inspección. La energía acústica puede focalizarse, y las leyes de retraso pueden aplicarse para controlar el haz acústico.

De esta forma, la técnica de Phased Array hace posible cambiar el ángulo de


Punto focal

Ensayo

incidencia y la posición de enfoque del haz ultrasónico con un palpador solo, más que tener que suministrar una gama de palpadores para cada aplicación específica.

Adicionalmente, como el ángulo se puede variar, es posible inspeccionar áreas a las cuales las técnicas ultrasónicas convencionales no son aplicables.

La técnica de Phased Array puede reducir los tiempos de inspección eliminando o al menos reduciendo la necesidad de exploración mecánica, como el movimiento del palpador, dada la posibilidad de mover el haz por medios electrónicos. Cuando los elementos piezoeléctricos en un palpador ultrasónico de Phased Array están divididos en grupos, la velocidad de la inspección puede incrementarse por medio de manipulación electrónica en vez de explorar con un palpador.

Esta eliminación o reducción de exploración mecánica también aumenta la fiabilidad en la medida y el dimensionamiento de las discontinuidades, eliminando cambios o pérdidas de acoplamiento, que es un riesgo cada vez que se mueve el palpador.

A causa de la gama de barridos disponibles, los palpadores de Phased Array pueden emplearse para crear palpadores de 0º (haz recto), así como palpadores angulares de ondas longitudinales, además de angulares de ondas transversales refractadas y ondas superficiales para todos los rangos de inspección. Las únicas limitaciones son el software, los parámetros de visualización y el tamaño pequeño de los elementos individiduales, que pueden restringir la profundidad de la penetración, ya que la entrada de energía de cada elemento ha sido eliminada.

La estructura del palpador multielemento tiene una serie de características en las que influyen estas propiedades:

Un relleno de resina entre los elementos piezoeléctricos actúa como material de amortiguación para reducir la duración del impulso de las ondas ultrasónicas, mejorando la resolución en la dirección de la profundidad.

La oscilación en la dirección del espesor es prevalente y suprime la resonancia en la dirección horizontal, minimizando la diafonía y mejorando la direccionalidad.

La disminución de la impedancia acústica mejora el ajuste y la relación señal-ruido.

El valor mecánico Q (Qm: índice que representa las características de amortiguación del compuesto piezoeléctrico) se hace más pequeño, expandiendo la anchura de banda.

Los parámetros esenciales en el diseño de los compuestos piezoeléctricos PZT son el factor de volumen y el módulo de Young del relleno de resina.


Ensayo

Figura 4.31

Sin embargo, el potencial para un palpador puede suministrar: Diseño compacto Una amplia gama de ángulos de incidencia desde 0° a más de 70° en acero Ancho de banda amplio Conversión de modo de onda y funciones tándem Buena sensibilidad Buena relación señal-ruido

Significa que el sistema es robusto y tendrá cada vez más aplicaciones.

Una de las primeras aplicaciones es la inspección de partes de geometría compleja.

Cuando se emplean ultrasonidos convencionales, las áreas de inspección deben explorarse enteramente con una selección de palpadores. En una soldadura con un sobreespesor ancho y una zona plana de exploración corta, donde el palpador de 45º no puede acercarse lo suficiente, la zona de raíz queda sin inspección. Sin embargo, esta dificultad en las técnicas convencionales puede subsanarse manipulando el haz con palpadores Phased Array.

Otra aplicación es la inspección de partes hechas de materiales que producen mucho ruido, tales como las fundiciones de acero inoxidable y los metales de soldadura. El grano grueso contenido en estos materiales desvía y difumina las ondas ultrasónicas y reduce la propagación del sonido. Focalizando el haz de onda ultrasónica sobre estas partes, el nivel del eco de la discontinuidad aumenta y la relación señal-ruido mejora.

4.17 Selección de técnicas (contacto, inmersión, transmisión, resonancia, etc)Hay una gran variedad de variables que influyen en la elección de la técnica de ultrasonidos:

1. Material a ensayar2. Requisitos del procedimiento de inspección3. Condición superficial4. Acceso a las superficies de inspección5. Tipo de discontinuidades a localizar6. Tamaño de las discontinuidades aceptables7. Temperatura de la superficie8. Tamaño de la estructura


Ensayo

9. Cantidad de partes10. Costes

1. MaterialesHay muy pocas restricciones sobre el tipo de material que puede ensayarse con este método. Como este material de formación está orientado al personal de inspección de soldaduras, entonces se consideran sólo los materiales soldables. Estos materiales incluyen el acero y otros metales, pero también el plástico que se utiliza para las tuberías principales de conducción de gas. Aunque el ensayo por contacto es posible para las tuberías de plástico, un sistema mejor (más económico) sería la detección de discontinuidades por ultrasonidos de forma automática usando una cabeza rotatoria.La única restricción en esta aplicación es el requisito de una frecuencia específica para penetrar el material sometido a ensayo. Para soldaduras de acero inoxidable de grano basto en secciones gruesas, se requeriría una frecuencia baja. El grano fino en las soldaduras de chapa laminada serían ensayables con alta frecuencia.2. Procedimiento de inspecciónEl determinante primario para la técnica será el procedimiento del cliente, si está estipulado. Esto puede darse en forma de un documento de la compañía, de norma europea o de especificación industrial como los códigos ASME. Esto limitará el alcance de elección para el procedimiento general pero todavía deja oportunidad para detalles específicos de partes concretas.

3. Condición superficialLa superficie a inspeccionar puede variar desde un acabado fino hasta uno basto de soldadura o incluso uno corroído, que tendrá considerable influencia en la elección de la técnica.

Una superficie rugosa puede inspeccionarse con un palpador de cara suave (como una zapata de desgaste de goma sustituible). Aquí, el acoplamiento puede también ayudarse con un gel denso o grasa, pero con la limitación de que la rugosidad de la superficie producirá señales en la línea de base sobre la pantalla si se emplea un palpador de compresión.

Si se utiliza un bicristal para limpiar la señal de superficie de entrada, debe tenerse en cuenta que aparecerá una pérdida de señal a lo largo de la interfaz rugosa.

Los componentes suaves dan un buen acoplamiento y pueden incluso inspeccionarse bien con un palpador EMAT, obteniendo buenos resultados. Las superficies suaves son también beneficiosas para las técnicas de inmersión si se combinan con geometría simple, que puede seguirse por el manipulador.

4. Acceso a las superficies de inspecciónAquí el acceso físico, como dentro de una pequeña tubería de una caldera perforada, puede limitar la variedad de opciones para la selección del palpador y su manipulación. Los palpadores de diámetros pequeños dan mejor acceso, pero tienen dispersión del haz (a menos que se focalice) y una consecuente pérdida de penetración. Aquí las ondas guiadas pueden ofrecer un acceso mejorado donde las técnicas de contacto convencionales están limitadas en alcance.

5. Tipo de discontinuidades a detectarLas discontinuidades planas paralelas a la superficie de entrada se localizan y dimensionan con palpadores de ondas de compresión, pero las discontinuidades planas tales como la falta de fusión de raíz en una soldadura en X, que son


Ensayo

normales a la superficie, requieren gran alcance, palpadores de onda transversal de gran ángulo o altura tonal y técnicas de captura o TOFD.

Las discontinuidades grandes pueden detectarse y dimensionarse con palpadores de longitud de onda larga (baja frecuencia), que dan una gran penetración.

Sin embargo, los reflectores pequeños como poros finos, requieren longitud de onda corta y frecuencia alta. Esta frecuencia alta es atenuada por una estructura de grano grueso y produce niveles altos de interferencia de grano en la base de tiempos.

6. Tamaño de las discontinuidades aceptablesEl tamaño límite de las discontinuidades determinará la longitud de onda del ultrasonido a emplear. Esto determinará la frecuencia del palpador y la variedad potencial que puede someterse a ensayo desde una localización específica. Para una sección gruesa de material donde la interferencia de grano y la atenuación pueden limitar la señal, puede implicar que la inspección deba llevarse a cabo desde dos o más lados de la pieza para asegurar la cobertura completa.Cuando el tamaño de la discontinuidad es mayor que la anchura del haz, pueden emplearse los métodos de dimensionamiento de 6 dB o 20 dB. Cuando el tamaño de la discontinuidad es menor que el del haz, entonces se deben emplear los métodos del reflector de referencia (CAD, DGS, entallas).

7. Temperatura de la superficieEn el caso de que el objeto sometido a inspección esté por encima de la temperatura ambiente, por ejemplo calor en reposo de la soldadura, recocido de alivio de tensión o estructuras de caldera in situ, se requiere la selección de palpadores para ensayos en caliente. Alternativamente, se puede usar un método sin contacto tal como EMAT u otros sistemas de acoplamiento de aire.

8. Tamaño de la estructuraPara secciones de soldadura pequeñas y complejas, es ideal el ensayo por contacto manual, pero para estructuras grandes, tales como largueros de acero soldados o secciones de puentes, es preferible un sistema automático, considerando la velocidad y los costes. Las soldaduras de tuberías se inspeccionan ahora regularmente y con módulos de inspección rotatorios con multicabeza empleando palpadores de Phased Array, con relativo éxito y ventajas económicas.

9. Cantidad de partesCuando hay que inspeccionar pequeñas partes soldadas, se debe considerar una separación por medios densos, ya que esto reducirá el tiempo de instalación para cada parte y reducirá los costes de manipulación. Se puede emplear la autoalimentación de las partes en tales separadores e incluso la aplicación automática del palpador. Es este tipo de disposición, el método de chorro de agua, no requiere la aplicación manual de acoplamiento y se presta a la automatización.

10. Implicaciones de costePara desarrollar especificaciones para la inspección de partes y estructuras por END, en algunas aplicaciones puede ser más fácil o de menos coste considerar un método alternativo de inspección, como la radiografía o la termografía, si el acceso, los requisitos del tiempo y la localización de la inspección son tales que los ultrasonidos pueden resultar demasiado costosos.


Ensayo

4.20 EMAT

Un palpador acústico electromagnético (Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT) es un dispositivo que emplea el efecto magnetostrictivo para generar y recibir señales ultrasónicas. Proporciona todas las ventajas de la inspección por ultrasonidos por contacto convencional, pero con las ventajas añadidas de:

La medida rápida del grosor de los materiales fríos y calientes Inspecciones en servicio de tubos y tuberías, calderas, tanques y estructuras

donde estén presentes superficies rugosas o cuando se requiere la inspección en seco y/o con ondas guiadas

El EMAT también brinda la posibilidad mejorada de ondas de cizalladura polarizadas horizontalmente (SH) para la inspección de soldaduras austeníticas. La ausencia de acoplante mejora la fiabilidad del proceso de exploración, reduciendo el riesgo de pérdida de acoplamiento durante el ensayo por contacto. También la ausencia de conversión de modo, posición oblicua del haz y la distorsión conducen a resultados más consistentes. También existen conjuntos estándar disponibles del EMAT para ondas de cizalladura de incidencia normal y angular, ondas de chapa, Rayleigh y de Lamb. DesventajasPrincipalmente es la energía ultrasónica se transmite de forma relativamente baja, lo que significa que la oscilación dinámica se determina por el ruido electrónico en muchos casos. Además, las altas frecuencias no se pueden aplicar y necesitan localizarse en una proximidad cercana al objeto sometido a ensayo (del orden de 1mm).

En su forma más simple, un EMAT consiste en un apilamiento de hierros e imanes para excitar y recibir ondas ultrasónicas en un material conductor eléctrico, magnético o no magnético.

Un EMAT genera energía ultrasónica en un material conductor de la siguiente forma: se prepara un campo magnético en la pieza y se acopla un impulso RF de alta frecuencia dentro de la pieza con una bobina. El impulso RF interacciona con el campo magnético para producir una fuerza mecánica. Esta fuerza produce ondas mecánicas de la frecuencia RF, que está generalmente en la gama ultrasónica. Esta fuerza electromagnética puede aplicarse a la parte sometida a inspección sin usar ningún acoplamiento líquido, sin embargo, el acoplamiento depende de la separación entre el EMAT y la pieza, así que es importante mantener ambos tan cerca como sea posible (generalmente a menos de 1 mm).


Imán Imán

Bobina Bobina Bobina

Figura (a) Figura (b)

N S

N

S

http://www.geocities.com/raobpc/JNDE-EMAT-Paper.PDF





Ensayo

Figura 4.32

La figura 4.32 (a) muestra la regla de la mano derecha, en la cual el campo magnético, la fuerza y las corrientes inducidas se generan todas en ángulos rectos entre sí.

La figura 4.32 (b) muestra la disposición de un EMAT típico para la generación de ondas longitudinales.

Cuando por un alambre, situado cerca de la superficie de un objeto conductor de electricidad, circula una corriente alterna en una frecuencia apropiada, se producirán corrientes inducidas en el objeto por inducción electromagnética en la frecuencia relevante. Su penetración en el objeto se da por el clásico efecto pelicular electromagnético. Las fuerzas inducidas se transmiten en el material y actúan como una fuente de ondas ultrasónicas.

De una forma similar a los elementos piezoeléctricos, los EMAT son dispositivos recíprocos, esto es, que pueden emplearse como transmisores o receptores de ultrasonidos. Cuando un transmisor EMAT se sitúa cerca de un material en estado de conducción eléctrica, las ondas ultrasónicas se lanzan en el material por medio de la reacción de corrientes inducidas y campos magnéticos estáticos (fuerzas de Lorentz).

Esta característica elimina los problemas asociados con el acoplamiento líquido/gel de la parte sometida a examen, ya que la conversión electromecánica tiene lugar directamente por el efecto pelicular en la superficie del material. Así, el EMAT permite una operación sin contacto.

Además, la inspección es posible: A temperaturas elevadas En objetos en movimiento Al vacío o en piezas engrasadas En superficies rugosas Y también en ubicaciones remotas y peligrosas

A diferencia de los palpadores piezoeléctricos, es posible desarrollar inspecciones con cualquier ángulo de incidencia con un EMAT estacionario. Esto se consigue variando la frecuencia y/o los tiempos de retraso entre sus elementos o mediante un sistema de Phased Array.

Algunas aplicaciones prácticas de los palpadores EMAT

Palpadores angulares: ultrasonidos de tubos, control del nivel de líquido, inspección en servicio o soldaduras de grano grueso.

Palpadores angulares: ultrasonidos de láminas y placas; ultrasonidos de la superficie de rodadura de las ruedas de ferrocarriles.

Palpadores angulares: modos SH; medida del grosor de láminas de aleación alta


Ensayo

Palpadores de haz normal: análisis de tensión y textura, medida del grosor de pared

Otras disposicionesOndas horizontales de cizalladura (SH): es posible generar ondas horizontales de cizalladura (SH) usando EMAT mientras es muy difícil hacer lo mismo con PZT. Los beneficios de este tipo de ondas son:

Reflexión, refracción y difracción sin conversión de modo Reflexión angular completa, independientemente del ángulo de incidencia Propagación de los componentes de pared gruesa (grosor > longitud de

onda) como una onda de medición de volumen, incluso a lo largo de la superficie

Propagación en componentes de pared delgada (grosor < longitud de onda) como onda guiada (SH-modo)

Posición oblicua del haz pequeño y distorsión en material de soldadura austenítica

Ninguna radiación de energía en fluidos de viscosidad baja Casi 100% de transparencia de las interfaces (ajuste de la impedancia) No es sensible a los efectos causados por la geometría de la soldadura

Aplicaciones prácticas

Cuando se requieren altas temperaturas para una planta de procesado, como en una industria de procesos químicos y petroquímicos, deben tener sistemas de recipientes a presión y tuberías que puedan operar de forma segura a estas altas temperaturas. Se requiere, por tanto, la inspección periódica de los sistemas de recipientes a presión y de las tuberías, y un método de inspección usado a menudo son los ultrasonidos. Sin embargo, los ultrasonidos convencionales no pueden aplicarse a altas temperaturas, de tal forma que los sistemas se apagan para la inspección.

Los palpadores acústicos electromagnéticos (EMAT) introducen las ondas ultrasónicas en el metal por medio del acoplamiento y se dejan influenciar menos por la temperatura y la necesidad de acoplamiento líquido / gel.

El proceso proporciona una evaluación no destructiva (END) para detectar la corrosión / erosión, daño del hidrógeno y la fractura en procesos críticos del equipo mientras éste está en línea durante las operaciones de planta regulares. Los ultrasonidos se han empleado para detectar estos tipos de discontinuidades durante muchos años, cuando los componentes están a temperatura ambiental o casi. Sin embargo, durante las operaciones regulares de planta, estos componentes críticos pueden alcanzar temperaturas tan altas como 650°C. Los palpadores de ultrasonidos convencionales no pueden operar a estas temperaturas altas durante largos períodos, ya que los cristales piezoeléctricos se despolarizan y no producen más oscilaciones mecánicas a temperaturas superiores a la de Curie. (para la mayor parte de los materiales piezoeléctricos, la temperatura de Curie es menor de 370°C.)

4.21 SERIES DE PALPADORES MÚLTIPLES

En la inspección automática o semiautomática de estructuras similares repetidas o continuas, por ejemplo los tubos de acero soldados longitudinalmente o soldaduras


Ensayo

circunferenciales múltiples a tope de tubos en una planta de energía u oleoducto, el uso de técnicas de palpadores simples es lenta y costosa. Un porta-piezas convenientemente diseñado, conteniendo un número de palpadores: de compresión, de cizalladura, de ángulo, focalizados, de brocha, de Phased Array o palpadores TOFD, pueden llevar a cabo una inspección completa del área de interés en una operación continua más que en operaciones sencillas múltiples.

Se han advertido durante muchos años las ventajas de emplear la inspección ultrasónica para detectar ciertas discontinuidades de soldadura sobre una radiografía. Sin embargo, el tiempo de ciclo de inspección es un factor controlador en las operaciones de construcción de oleoductos. En el pasado reciente, ha aparecido tecnología de ultrasonidos automatizada en este ambiente de demanda. La inspección ultrasónica automatizada de soldadura manual o mecanizada de tubos tiene las ventajas de:

Tiempo de ciclo de inspección de menos de 5 minutos por tubo de diámetro de 42"

Adquisición automática de datos Software de evaluación para eliminar o reducir la interpretación subjetiva Presentación de los datos gráficos simple, fácilmente comprensible, con

evaluación de máximo y mínimo Detección de discontinuidades de la soldadura transversales y longitudinales Aplicable en campo, diseño móvil, fiable en ambientes duros Económicamente competitivo con radiografía y/o inspección ultrasónica

manual

Los sistemas que emplean series de palpadores múltiples han sido diseñados para examinar, en el mundo aeronáutico, componentes grandes de CFRP (Material Compuesto de Fibra de Carbono) como el son el estabilizador vertical (VTP) y horizontal (HTP). Las dimensiones típicas de estos componentes oscilan en torno a 20 m de longitud y de 2 a 4 m de anchura. Para realizar esta inspección en un periodo de tiempo razonable, los sistemas precisan un suficiente solape del haz en el sentido de la inspección.

Aunque más compactos y voluminosos que un sistema de inspección manual, pueden reducir el tiempo de inspección hasta 10 veces. Por lo tanto, su alto coste se compensa con lo que se ahorra en tiempo y fiabilidad en un corto periodo de tiempo.

4.22 SELECCIÓN DE PARÁMETROS TÉCNICOS

Para preparar una instrucción técnica escrita, se deben considerar:

Productos a inspeccionarElementos tales como la geometría, la condición superficial, la accesibilidad y las condiciones ambientales para la inspección influirán en la técnica elegida.

Geometría: las soldaduras de chapas planas proporcionan un acceso fácil a toda el área de soldadura, pero las soldaduras de toberas con penetración proporcionan una tarea más desafiante para una inspección completa. Se requiere tanto detalle como sea posible del ajuste de la soldadura, requisitos de penetración y dibujo de



Falta el 4.22 que proviene del 5.1.4

Ensayo

sección transversal de la estructura soldada para ayudar en la preparación de una técnica apropiada.

Condición superficial: la chapa plana suave en estado tosco de laminación proporciona un buen acoplamiento, y un material que fluya libre, como agua, aceite o pasta fina, puede emplearse como acoplante. Cuando la superficie está excavada, oxidada o tiene cascarilla de laminación adherida, el acoplamiento será más problemático y requerirá un tipo de material más grueso. Aplicaciones de tipo grasa, gel o la inmersión (aspersor / burbujeador ) suavizarán la superficie de contacto, pero no eliminarán el ruido de la superficie de entrada de la base de tiempo.

Accesibilidad: cuando la soldadura está en una línea de tubería recta o chapa al aire libre, el acceso es simple y se pueden aplicar sistemas semiautomáticos o de contacto básico. En soldaduras de toberas o de bifurcación y en aplicaciones de tubo de calderas, el acceso es más limitado y la técnica puede requerir un sistema más remoto de inspección ultrasónica. En áreas limitadas de acceso a palpadores de contacto, puede usarse EMAT si los palpadores de Phased Array pueden “barrer” áreas que están fuera del alcance de palpadores de contacto convencionales.

Condiciones ambientales: puede requerirse la inspección de soldaduras en el ambiente de la fabricación, donde la construcción o fabricación de ensamblados se realiza en un lugar de trabajo controlado, relativamente limpio y agradable. La inspección en servicio puede requerir el examen de componentes y estructuras que están en ambientes calientes, sucios, y donde las superficies pueden recubrirse, pintarse, corroerse o ser inaccesibles. Cuando se prepara una técnica para estas aplicaciones, se debe tener especial consideración a la inspección por contacto o remota; a la preparación de la superficie (eliminación de la pintura o capas de óxido); a los palpadores para ensayo en cara caliente; y al equipo de protección personal para el inspector en el lugar de trabajo.

Si se requiere la inspección de la soldadura en alta mar, se deben considerar otros requisitos, como el acceso a cabos y las dificultades de la preparación de la superficie; y se debe incidir en la eliminación del detrito acuático.


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