Manual Nivel II Ultrasonido - Aeronaútica

Manual de Ultrasonido Nivel II

Ing. Eduardo Garofalo

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Ing. Eduardo Garofalo INDICE

INTRODUCCION

3

PROPIEDADES DEL SONIDO

4

PRINCIPIOS BASICOS

6

PRINCIPIOS DE PROPAGACION DE LA ONDA

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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSMISION DEL SONIDO

19

GENERACION DEL SONIDO, TRANSDUCTORES O PALPADORES

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METODOS Y TECNICAS

37

SISTEMAS, EQUIPOS E INSTRUMENTOS

43

CALIBRACION Y PATRONES

50

TIPOLOGIA DE LAS INDICACIONES

52

ANEXOS

53

2


Ing. Eduardo Garofalo INTRODUCCIÓN

Para determinar la existencia de discontinuidades en una pieza nueva o en servicio, sin afectar su integridad, deben ser aplicadas las Técnicas de Ensayos No Destructivos. Entre las técnicas de ensayo no destructivas mas usadas, tenemos Tintas

Penetrantes,

Partículas

Magnéticas,

Ultrasonido,

Electromagnetismo,

Corrientes Inducidas, Radiografía, entre otras. La técnica de inspección por Ultrasonido tiene una amplia aplicación en el mundo de los Ensayos No Destructivos, debido a su gran versatilidad y alto grado de desarrollo técnico de los equipos destinados para esta aplicación. En la actualidad la técnica de inspección por UT es una de las herramientas más utilizadas a nivel industrial para la verificación

y

caracterización de materiales y piezas gracias a las propiedades físicas del sonido.

Este manual trata de las características y propiedades que aplican a las ondas Ultrasónicas usadas en la técnica de inspección por Ultrasonido y esta dirigido a personal para ser entrenado como inspectores Nivel I en la Técnica por UT quienes estarán en capacidad de realizar las inspecciones bajo la supervisión de un Nivel II o Nivel III y solo deberán ser responsables de la correcta ejecución de la inspección.

Los Ensayos No Destructivos son aplicados a nivel mundial usando diversas normas y técnicas pero con un mismo objetivo: el control de calidad y la prevención de accidentes, son usadas en dos áreas fundamentales, desde el punto de vista industrial:

Inspección: Detección de heterogeneidades (defectología), determinación de sus propiedades (caracterización), y medida de espesores (metodología).

Calidad: Es el apego a las normas o especificaciones que regulan el proceso en el cual se encuentra el dispositivo inspeccionado.

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PROPIEDADES DEL SONIDO GENEALIDADES Ultrasonido es el nombre de las ondas sonoras con frecuencias superiores a los 20 Khz. (20.000 ciclos por segundo) siendo estas imperceptibles por el oído humano. Las ondas sonoras pueden ser divididas en tres grupos: 

Onda Infrasónica: en estas el rango de frecuencias es menor a 16 Hz ( F<16 ciclos por segundo).



Onda Sónica: en donde las frecuencias están entre 16 Hz y 20 KHz (16 < F < 20.000 ciclos por segundo).



Onda Ultrasónica: donde su rango supera los 20 KHz y pueden alcanzar varios miles de ciclos por segundo, actualmente se han logrado frecuencias hasta 1000 MHz.

El rango usado en la técnica por ultrasonido esta comprendido entre 200 KHz y 25 MHz. A frecuencias superiores a los 100 KHz la energía sonora es totalmente direccional y se comporta muy similar al haz de luz producido por una linterna a batería.

De las técnicas utilizadas para la evaluación no destructivas de piezas, solo Radiografía y Ultrasonido pueden encontrar discontinuidades internas a la pieza mientras que las técnicas como Tintes penetrantes, Partículas Magnéticas, Corrientes Inducidas están restringidas a discontinuidades superficiales y subsuperficiales.

Otro uso del ensayo por ultrasonido es caracterizar la estructura metalúrgica y la medición de espesores de los materiales.

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Cada una de las técnicas de Ensayo No Destructivo poseen ventajas y desventajas para su uso, entre las ventajas más importantes de la técnica por UT resaltan: 

Habilidad para alcanzar grandes profundidades en la mayoría de los materiales inspeccionados.



Inspección volumétrica del material.



Alta sensibilidad a discontinuidades pequeñas.



No existen riesgos por su uso a la salud del personal.



Habilidad para evaluar desde una sola cara de la pieza.



Relativa precisión para cuantificar el tamaño y ubicación de las discontinuidades.



Los equipos son portátiles.



Evaluaciones rápidas.

Entre las principales desventajas se tienen: 

El personal tiene que estar altamente calificado y suficientemente entrenado.



Elevado costo de equipos y accesorios.



Son cualitativos, dependen de la calibración



Condiciones de acabado superficial de la pieza adecuadas para la inspección.



Requieren de patrones de calibración certificados

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El SONIDO PRINCIPIOS BASICOS

Se define como la vibración frecuencia

mecánica

de partículas a una determinada

en un medio apropiado. Esta energía mecánica es trasmitida a las

partículas las cuales vibran alrededor de un punto fijo, a la misma frecuencia que la onda sonora, las

partículas

que están vibrando afectan a las partículas mas

cercanas suministrándoles esta energía, de esta manera esta energía mecánica se va desplazando entre las partículas del elemento en el cual viaja. Es importante ratificar que la partícula no se trasladan con la onda, solo la energía es la que se va trasladando al ser transferidas de una partícula a otra.

En resumen es el efecto producido por la vibración mecánica de las partículas de un medio elástico. El medio de transmisión puede ser sólido, líquido o gaseoso.

En la siguiente figura se puede observar el Modelo de un cuerpo dimensional en equilibrio.

Modelo de un cuerpo dimensional en equilibrio

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CLASIFICACION DEL SONIDO

El Sonido, son ondas mecánicas que según su rango de frecuencias se dividen en: 

Infrasónicas: Rango debajo de 16 Hz. (Usada por los elefantes para comunicarse)



Sónicas (audibles): 16 Hz Hasta 20 KHz. (Usada por los seres Humanos)



Ultrasónicas: 20 KHz a 1000 MHz. (las usadas en NDT van desde 100 KHz a 25000 KHz.)

CUALIDADES DEL SONIDO 

Intensidad: depende de la amplitud de la onda y se aprecia si un sonido es fuerte o débil, El sonido será mas intenso, cuanto mayor sea la energía de vibración de las partículas.



Tono: Depende de la frecuencia y se aprecia si el sonido es agudo o grave. Depende de la cantidad de veces que se repite la vibración en un determinado de tiempo, o sea, la frecuencia.



Timbre: Permite distinguir un mismo tono generado por dos instrumentos diferentes.

CARACTERÍSTICAS DE UNA ONDA SONORA

Entre las características que presenta una onda sonora tenemos: 

Frecuencia.



Período.



Longitud de onda.



Amplitud.

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Frecuencia (F): Numero de ciclos completos de una partícula por unidad de tiempo (1 seg.), la unidad de medición es el Hertz (ciclos / seg.)

Relación entre las unidades en que se maneja la Frecuencia: 

1 HERTZIO = 1 Hz = 1 Ciclo por Segundo.



HERTZIOS = I kHz = 1.000 Ciclos por segundo.



1,000.000 HERTZIOS = 1 MHz = 1.000.000 Ciclos por segundo.

Período (T):

Es el tiempo requerido por la partícula para cumplir un ciclo completo, se relaciona con la frecuencia mediante la ecuación:

T=1/F La unidad de medición es el ―segundo‖. Longitud de Onda (  ):

Distancia entre dos planos de la onda donde la partícula se encuentra en el mismo estado de movimiento, la frecuencia y el periodo están relacionados por medio de la siguiente ecuación:

f 

1 T

(1.1)

Donde: T: Período. F: Frecuencia.

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Velocidad Acústica (C): 

Es la velocidad de propagación de la onda en una condición dada. Esta velocidad es una característica de cada material y en general constante para un material dado, independiente de la frecuencia ni de la longitud de onda.



Esto no es totalmente cierto pues la presión, en los líquidos y gases, y la temperatura afectan en mayor o menor grado esta velocidad. En los metales esta variación puede ser despreciada para ciertos ensayos.



Esta se relaciona con F y  mediante la siguiente ecuación: F=C/

Donde:  : Longitud de onda. C: velocidad acústica. F: Frecuencia

Amplitud (A): 

Es la distancia máxima de desplazamiento de la partícula partiendo desde su posición de reposo.



Se denota con la letra ―A‖

En la siguiente figura podemos observar una onda sonora mostrando su frecuencia, longitud de onda y amplitud.

Onda sinusoidal 9



PRINCIPIOS DE PROPAGACION DE LA ONDA

Una onda mecánica, se transmite por la oscilación de las partículas del medio a través del cual se propaga, estas pueden ser propagadas de diversos modos.

Modos de Vibración y propagación de la onda:

Existen básicamente tres modos de vibración de ondas ultrasónicas que se transmiten dentro del material: 

Longitudinales o de compresión.



Transversales, de corte o cizalladura.



Superficiales o de Rayleigh.

Ondas longitudinales o de compresión: 

Las partículas vibran paralelas a la dirección de desplazamiento de la onda.

 También son llamadas ondas L.  Esta onda puede desplazarse en sólidos, líquidos y gases.  Es la de uso más común en ultrasonido.

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En la siguiente figura se observa como una onda longitudinal se desplaza a través de un determinado medio, mostrando como se mueven sus partículas.

Dirección de propagación

Movimiento de la partícula

Ondas transversales o de corte: 

Las partículas vibran perpendicular al desplazamiento de la onda.



Son conocidas como ondas S.



La velocidad acústica de la onda transversal es generalmente 5/9 de la velocidad longitudinal para el mismo material.



La onda transversal no puede viajar en líquidos o gases, solo en sólidos.

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En la siguiente figura se observa como una onda Transversal se desplaza a través de un determinado medio, mostrando como se mueven sus partículas.

Dirección de propagación

Movimiento de la partícula

Ondas superficiales o Rayleigh: 

Las partículas vibran formando elipses perpendiculares a la superficie del material y paralelas al desplazamiento de la onda.



Penetran en el material solo el equivalente al valor de una longitud de onda.



La velocidad acústica de la onda superficial es generalmente 11/12 de la velocidad transversal para el mismo material.



Se propagan solo en la periferia plana o curva de un sólido semi-infinito. Siguen el contorno de la superficie.

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Ondas de Lamb: 

Si el sólido semi-infinito se reduce en espesor, se obtiene una chapa en la que la onda puramente de superficie ya no puede existir como tal, a no ser que su longitud de onda sea considerablemente menor al espesor de la chapa. Cuando el espesor de la chapa es del mismo orden que la longitud de onda se producen las ondas Lamb.



Pueden ser de dos tipos Simétricas o dilatación y asimétricas o de flexión.



Otra relación que existe entre las ondas y el medio donde estas se desplazan se denomina Impedancia acústica la cual determina la cantidad de energía que estará presente en la onda.

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IMPEDANCIA ACUSTICA: 

Es la oposición natural del material a ser perturbado por el paso de una onda ultrasónica a través de su estructura atómica.



Se define por la letra ―Z‖ y se calcula por la relación dada a continuación: Z=C

Donde: Z: impedancia acústica.  Densidad del material. C: velocidad acústica de la onda.

Razón de impedancias:

Es la relación matemática producto de la división entre la impedancia acústica de dos materiales que se encuentran formando una interfase.  = Z2 / Z1

Interfase:

Es la superficie límite o frontera entre dos materiales que están en contacto directo y tengan impedancias acústicas diferentes.

En la siguiente figura podemos observar la unión de dos medios que tienen impedancias acústicas diferentes, esta es la principal condición para que pueda existir la interfase.

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Material 1 Z1

Material 2 Z2

Onda Incidente

Onda Transmitida

Onda Reflejada

Interfase

Aquí se puede observar que debido a esta relación de impedancia entre los dos medios la onda transmitida, que es la que nos interesa, tiene menos energía que la onda incidente, esta es una condición que tiene que ser tomada en cuenta.

La cantidad de la onda que se transmite o se refleja puede ser calculada mediante las siguientes ecuaciones:

La energía reflejada en una interfase puede ser calculada usando la ecuación:

R = (Z2 - Z1)2 / (Z2 + Z1)2

La energía transmitida puede ser calculada mediante la ecuación:

R+T=1

En el caso anterior la onda incidente golpea la interfase con un Angulo de 90` a esto se le llama haz recto, en este punto existen los fenómenos de transmisión y reflexión. Si este Angulo cambia y es diferente a 90 se le denomina haz angular y aquí ocurren los fenómenos de reflexión y refracción. A este haz se le denomina Haz Angular.

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Reflexión:

Todo haz longitudinal que viaje por un medio uno e incida con cierto ángulo sobre un medio dos, producirá una reflexión hacia el primer medio con el mismo ángulo incidente. i =  r i

r

Medio 1

Interfase

Medio 2

Refracción:

Todo haz longitudinal que viaje por un medio uno e incida con cierto ángulo sobre un medio dos, producirá una refracción en el segundo medio con un ángulo diferente al incidente.

i Medio 1 Medio 2

Interfase r

Donde r: Angulo Onda transmitida i: Angulo Onda Incidente  r: Angulo Onda Reflejada

En el camino que recorren las ondas puede ocurrir también el fenómeno de la Difracción.

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Difracción: 

Cuando hablamos de reflexión y refracción, asumimos que las ondas ultrasónicas viajan con trayectoria recta. Sin embargo, una propiedad importante que poseen las ondas es la habilidad o tendencia de rodear obstáculos con dimensiones menores a la longitud de onda.



La difracción puede ocurrir cuando la onda se encuentra con una discontinuidad de magnitud superior a la longitud de onda.

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Cuando el Angulo de incidencia es diferente a la normal, además de producirse la reflexión y la refracción del haz, se producen modificaciones en las características de la onda. Estos son:

i

 rl

 rt

Medio 1

Interfase l

Medio 2 t Donde: t: Angulo refractado transversal l: Angulo refractado Longitudinal  r t: Angulo Reflejado transversal  r l: Angulo Reflejado Longitudinal.

Esto se llama Modos de Conversión de la Onda donde una onda incidente del tipo longitudinal al pasar por una interfase puede generar tanto ondas longitudinales como transversales.

Existe una ley que determina todo esto y es conocida como la Ley de Snell

Ley de Snell:

Establece relaciones matemáticas que determinan los valores de los ángulos de las ondas de incidencia, reflejada y transmitidas en base a las velocidades acústicas de cada medio involucrado. sen i = senr = C11 C11

sen 1 = C12

sen  t = Ct2 18



Donde: i : Ángulo de incidencia.  r : Ángulo de reflexión. 1 : Ángulo de refracción de la onda longitudinal.  t : Ángulo de refracción de la onda transversal. CL1 : Velocidad acústica de onda longitudinal del medio I. CL2 : Velocidad acústica de onda longitudinal del medio 2. Ct2 : Velocidad acústica de onda transversal del medio 2. Ángulos críticos:

Los ángulos críticos son aquellos que colocan tanto la refractada, es el primer ángulo crítico, como

onda longitudinal

la onda transversal refractada, el

segundo ángulo crítico, a viajar por los límites de la interfase. 

Primer ángulo crítico: Es el ángulo de incidencia para el cual la onda longitudinal refractada sale a la superficie del material, es decir, que el ángulo de refracción es 90 grados.



Segundo ángulo crítico: Es el ángulo de incidencia para el cual la onda transversal refractada sale a la superficie del material, es decir, que el ángulo de refracción es 90 grados.

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En la siguiente figura podemos observar estos ángulos críticos:

Primer Angulo Críticos Haz Incidente longitudinal

Haz Reflejado longitudinal

Ørt

Haz Reflejado Transversal Medio 1

Øi

Ørl Haz Refractado longitudinal Onda superficial

ßl Medio 2

Haz Refractado Transversal

ßt

Segundo Angulo Críticos Haz Incidente longitudinal

Ørt Haz Reflejado Transversal

Medio 1

Øi

Ørl Haz Refractado Transversal Onda superficial

Medio 2

ßt

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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSMISION DEL SONIDO

Entre los factores que pueden influenciar sobre la calidad de la onda transmitida de un medio a otro tenemos: 

Acoplante.



Condición superficial y acabado superficial.



Curvatura superficial.



Frecuencia y diámetro del palpador.

Acoplante: 

Es el encargado de facilitar la transmisión de la energía de la onda ultrasónica dentro del material, por lo que se usa entre el palpador y la pieza de inspección.



Elimina el aire en el acople.



Facilita el proceso de ―barrido‖.



Debe considerarse: costo, disponibilidad, viscosidad, adherencia, reacciones químicas, condición superficial, inclinación de la superficie y temperatura.



Usualmente para contacto directo se utiliza: metilcelulosa, aceite, glicerina, grasas, silicona, vaselina, etc.



En inmersión parcial: agua



En inmersión total: kerosén o agua.

Condición y acabado superficial: 

Las cascarillas de óxido, recubrimientos, etc. deben limpiarse de la superficie ya que la falta de adherencia impiden el paso de haz.



La rugosidad origina disminución de la presión acústica, aumento del ancho de la zona muerta, gradientes de velocidades, generación de ondas parásitas, etc. Muy grave en valores de rugosidad cercanos a . A mayor rugosidad se debe usar

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menor frecuencia, dentro de los límites de sensibilidad permisible, o usar palpadores del tipo Emisor - Receptor.

Curvatura superficial 

La curvatura disminuye la sensibilidad, siendo menos críticas las superficies convexas que en cóncavas.



En convexas se reduce el área del palpador, por lo que hay mayor divergencia.



En cóncavas se requieren focalizadores.



En palpadores angulares pueden generarse indicaciones falsas por rebotes múltiples.

 Se recomienda el uso de palpadores duales.

Frecuencia y diámetro del palpador: 

La frecuencia y el diámetro del palpador, están fuertemente ligados a la longitud del campo cercano, a la divergencia del haz ultrasónico, al poder de penetración, a la sensibilidad y al poder de resolución.



Todos estos factores afectan la transmisión del sonido y serán evaluados con detalle mas adelante.

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TRANSDUCTORES O PALPADORES, GENERACION DEL SONIDO

Para generar las ondas de Ultrasonido se emplean los Palpadores.

Palpador o transductor: 

Es el componente encargado de generar el haz ultrasónico que entra al material bajo ensayo. Así mismo, recibe la onda de respuesta proveniente del material.



El principio básico de funcionamiento se basa en el efecto piezoeléctrico y Efecto Magnetoestrictivo.

Efecto piezoeléctrico: 

Es la capacidad que tienen ciertos materiales a los cuales al aplicarles una carga eléctrica o voltaje sufren una deformación, aumentando en un sentido y disminuyendo en otro.



Este efecto es bidireccional por lo tanto al deformarse estos materiales también generan un Voltaje eléctrico de respuesta.



Cuando el efecto es sostenido o continuo se genera una frecuencia de vibración constante.



La frecuencia generada dependerá de la geometría del cristal que produzca del palpador.



Uno de los elementos mas comunes usado es el cristal de cuarzo.

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Efecto Magnetoestrictivo.

Los materiales magnetoestrictivos se deforman mecánicamente cuando se les aplica voltaje esta característica se denominan férroeléctricos; y están compuestos por un gran número de moléculas que deben ser polarizadas como se muestra en la Figura:

Cuando no existe un gradiente eléctrico en el material ferroeléctrico, las moléculas estarán orientadas al azar (A). Al aplicar voltaje, las moléculas tienden a alinearse en la dirección del campo; en éste momento se produce un aumento del espesor como el voltaje se aplica de forma alterna, al bajar a cero volverá a su espesor normal (A), aumentará el espesor polarizándose las moléculas de forma opuesta (C) , volverá a cero, y así sucesivamente se producirán las vibraciones.

Los materiales ferroeléctricos, por propiedades, no pueden producir altas frecuencias,

es por esto que

con cierta metodología,

es posible cambiar su

comportamiento hacia la piezoelectricidad. El método es el siguiente; el material es calentado por encima de su punto de Curie (la temperatura por encima de la cual una estructura pierde sus propiedades ferroeléctricas), a la vez que se le aplica

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voltaje lateralmente (aproximadamente 1.000 voltios por milímetro de espesor), el cual será mantenido hasta el enfriamiento. El material ha sido polarizado, por lo que exhibirá propiedades piezoeléctricas.

Construcción de palpadores: 

Los palpadores están compuestos por una carcaza que contiene al cristal piezoeléctrico (también llamado transductor) y sus respectivas conexiones eléctricas.



Las características de frecuencia del Palpador vienen dadas por lo que se conoce como frecuencia característica fundamental del oscilador.

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Frecuencia Característica Fundamental del Oscilador. 

Es la frecuencia a la cual oscilará un cristal piezoeléctrico al aplicarle un voltaje o viceversa.



Depende del material con el cual está hecho el cristal y de su espesor, tal y como se indica en la fórmula anexa:

fc = V / 2t Donde: V: velocidad acústica cristal t: espesor de cristal

Materiales para transductores:

Para construir transductores se cuenta con diversos materiales entre los cuales están: 

Cuarzo.



Sulfato de litio, (mejor receptor).



Titanato de bario, (mejor transmisor).



Tartrato sódico potásico.



Fosfato monoamónico.



Tartrato dipotásico



Turmalina



Metaniobato de plomo, etc.

Cada uno de ellos presentan ventajas y desventajas a ciertas condiciones funcionales, los fabricantes de transductores ofrecen el transductor fabricado con el material que presente mejores características a una determinada condición solicitada, así tenemos por ejemplo:

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Cuarzo:

Es el mas antiguo y se obtiene a partir de cristales naturales, es muy duro. Posee una temperatura crítica de 576 °C, lo que lo hace adecuado para ensayos a altas temperaturas. El coeficiente de amortiguación interna es prácticamente, igual a la unidad. Su frecuencia fundamental característica es de 2,80 MHz, para espesores de 1 mm.

Ventajas del cuarzo: 

Estabilidad térmica y eléctrica



Insolubilidad en muchos líquidos



dureza elevada y resistencia al desgaste,



homogeneidad excelente y resistencia al envejecimiento.

Desventajas del cuarzo: 

Posee un módulo piezoeléctrico bajo, lo que le califica como mal emisor.



No es adecuado para la generación de impulsos cortos.

Sulfato de Litio:

Este se obtiene por cristalización, y se debe proteger de la humedad. El sulfato de litio hidrátalo, es el mas sensible a la temperatura, ya que pierde su agua de cristalización a 75 °C, descomponiéndose en polvo de sulfato de litio y en agua. Debido a su coeficiente de amortiguación

interna,

es bastante adecuado para

generar impulsos cortos. Su Frecuencia fundamental característica es de 2,36 MHz, para espesores de 1 mm.

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Ventajas: 

proporcionar una amortiguación acústica óptima,

mejorando el poder

de

resolución. 

módulo piezoeléctrico medio y constante de presión piezoeléctrica elevada, lo que le califica como el mejor receptor.



Desventajas



Uso está restringido a temperaturas inferiores a 75 °C.

Titanato de Bario:

Posee una

temperatura

amortiguación interna

es,

crítica entre 115 y 150 °C.

El coeficiente

de

prácticamente, igual a la unidad. Su frecuencia

fundamental característica es de 2,2 MHz, para espesores de 1 mm.

Ventajas: 

Posee un módulo piezoeléctrico elevado, lo que le califica como el mejor emisor.

Desventajas: 

Para efectos de

acoplamiento y amortiguación,

es el peor debido a su

impedancia acústica elevada. 

Debido a su resistencia mecánica baja y a su frecuencia característica fundamental, relativamente, baja, su empleo está restringido a frecuencias por debajo de 15 MHz.

Metaniobato de Plomo:

Posee una

temperatura crítica de 550 °C,

Su frecuencia

fundamental

característica es de 1,4 MHz, para espesores de 1 mm, lo que limita su empleo a frecuencias muy altas.

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Ventajas: 

Adecuado para ensayos a altas temperaturas.



El coeficiente de amortiguación interna es de 1,3, por lo que es el mejor material para generar impulsos cortos en el método de pulso—eco,



Alta sensibilidad.



Buen Emisor



Estabilidad térmica



Capacidad para generar pulsos de corta duración.

Desventajas: 

Empleos limitados a frecuencias muy altas.



Difícil poder definir conversión de modos de vibración.

Los palpadores generan entonces el haz ultrasónico, este haz presenta tres zonas bien definidas, estas son: 

Zona Muerta.



Campo Cercano (Fresnel).



Campo Lejano (Fraunhofer).

Zona Muerta del haz ultrasónico: 

Se debe a las interferencias producidas por las vibraciones del cristal.



Su longitud está determinada por el tiempo de vibración del cristal.



Es una característica intrínseca del material con que esta construido el transductor.



Esta zona no detecta discontinuidades durante el ensayo por ultrasonido.

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Campo Cercano del haz ultrasónico 

Es la zona del haz ultrasónico donde la intensidad acústica no es constante, ya que presenta máximos y mínimos.



Se debe a las interferencias positivas o negativas de intensidad acústica generadas por los lóbulos laterales o secundarios.



La inspección no es 100% confiable para dimensionamiento en esta área del haz ultrasónico.



Su longitud dentro del material se cuantifica mediante la ecuación:

2 N = 0.25 x D x f / C Donde: N: longitud del campo cercano. D: diámetro del cristal. f: frecuencia del palpador. C: velocidad acústica del material.

Campo Lejano del haz ultrasónico: 

La intensidad acústica o presión sonora es estable. Siendo máxima en el eje central del cono de cobertura del haz y decreciente con la distancia (atenuación).



La atenuación del haz ultrasónico se mide en dB/m o dB/plg.



Es la región idónea para ejecutar una inspección.



La divergencia del haz ultrasónico, se calcula por la ecuación: sen 1.22 C / D f

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Donde: es la mitad del ángulo de divergencia. C: velocidad acústica en el material. D: diámetro del transductor. f: frecuencia del palpador.

En la siguiente figura se pueden observar bien definida estas zonas y sus características.

Zonas del haz ultrasónico: Zona Campo

Transductor

Zona

Zona Campo

Muerta

cercano

Lejano Angulo de divergencia

Consideraciones para la selección de Frecuencia y diámetro del cristal del transductor: 

A mayor longitud de onda menor rugosidad crítica, por lo tanto, menos interferencia.



A mayor longitud de onda menor reflexión de los lóbulos laterales en la rugosidad.



Al aumentar el diámetro aumenta el efecto de la curvatura.



Al disminuir el diámetro aumenta la divergencia.

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Atenuación del haz ultrasónico:

La intensidad del Haz Ultrasónico decrece a medida que aumenta la distancia desde el emisor. Esto arroja como resultado que la energía que retorne al transductor será mucho menor que la emitida por el. Es el efecto mediante el cual el haz ultrasónico se va debilitando, amortiguando y finalmente extinguiendo.

Se define como una condición de perdida de energía. Esta Atenuación se debe a dos fenómenos principales denominados Dispersión y Absorción.

Absorción: 

Es debida a la conversión de energía cinética en energía calórica.



Una oscilación rápida pierde más energía que una lenta.



Para disminuir las pérdidas por absorción se recomienda utilizar palpadores de baja frecuencia, o amplificar la señal del equipo con el control de ganancia, o aumentar la energía del emisor. (Palpador)

Dispersión: 

Es debida a que los materiales no son estrictamente homogéneos, pueden contener inclusiones, bordes de grano, cambios de fase, porosidades, cambios en la estructura cristalina del materia, etc.



El haz rebota infinidad de veces contra cualquier forma de impureza disminuyendo la energía original de la onda y genera numerosos ecos parásitos, llamado ―césped‖ o ―grama‖.



Ocurre cuando el tamaño del grano es menor que la longitud de onda.



Su efecto es más grave que la absorción ya que esta podría enmascarar pequeñas discontinuidades.



Se recomienda bajar la frecuencia para reducir su efecto sobre la inspección. 32



Veamos la siguiente imagen:

Aquí se ve más claramente el efecto de dispersión.

Tipos de palpadores:

Los palpadores son los únicos responsables de las características y cualidades del haz ultrasónico. Por su forma de acoplarse se clasifican en: 

Contacto.



Inmersión.

Palpadores de Contacto: 

Como su nombre lo indica, el palpador tipo ―contacto‖, es aquel en el cual el palpador requiere estar en contacto directo con la pieza a inspeccionar para transmitir la onda ultrasónica, es decir, en roce permanente.



Para no dañar el cristal piezoeléctrico por el roce contra la pieza se utilizan zapatas o suelas protectoras.



No recomendados cuando se requieren altas frecuencias de inspección para gran sensibilidad.



Dependiendo de la geometría de la zapata protectora el palpador puede ser: normal o angular, así como, por la cantidad de transductores puede ser: monocristal o dual.

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Manual de Ultrasonido Nivel II 


Para ―pegar‖ el palpador a la superficie de inspección se utiliza un acoplante acústico, el cual permite la transferencia de energía sónica entre el transductor y el material.

Tipos de palpadores de contacto: 

Palpador monocristal: es aquel que contiene solo un transductor o cristal piezoeléctrico el cual generalmente actúa como emisor por intervalos de tiempo y como receptor por otros intervalos de tiempo, por lo que son también llamados tipo ―pulso-eco‖.



Palpador dual: es aquel que contiene dos transductores en la misma carcaza, donde uno de ellos es siempre emisor y el otro siempre receptor, por lo que son llamados también tipo ―emisor-receptor‖.



Palpadores de haz normal: son aquellos que transmiten la onda justo hacia abajo de su posición, es decir, a 90 grados con respecto a la superficie. Pueden ser monocristal o dual.



Palpadores de haz angular: son aquellos que transmiten la onda hacia adelante del palpador, es decir, con un ángulo diferente a 90 grados con respecto a la superficie. Pueden ser monocristal o dual.

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Palpadores de contacto

Tipos de Palpadores

Diferentes modelos de Palpadores

Palpadores de Inmersión: 

Como su nombre lo indica, el palpador tipo ―inmersión‖, es aquel en el cual el palpador requiere estar inmerso en un medio líquido que actúe como medio transmisor de la onda ultrasónica.



Este tipo de acople entre la pieza y palpador anula el desgaste por roce, por lo que no requieren de zapatas o suelas protectoras.



Permite utilizar frecuencias más altas de inspección.

Tipos de palpadores de inmersión: 

Palpadores de haz normal: son los únicos disponibles para ensayos de inmersión ya que el beneficio de la inspección angular se logra simplemente con el proceso de ―angulación‖ del palpador de haz normal.



La onda longitudinal generada por los palpadores de haz normal es el único tipo de onda que se transmite en medio líquido o gaseoso adicional al medio sólido.

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Entre los palpadores especiales se tiene los focalizados.

Palpadores Foculizados

Y los palpadores tipo Phased Array

Palpadores Phased Array

Algunas de las características que se deben tomar en cuenta a la hora de seleccionar un palpador son su sensibilidad y resolución.

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Sensibilidad:

Es la capacidad de un palpador para detectar pequeñas discontinuidades.

Resolución:

Es la capacidad de un palpador para separar dos discontinuidades cercanas entre sí.

Resolución

Damping o amortiguador:

El palpador en la parte superior del cristal tiene adherido un elemento amortiguador, la función de este es la de frenar las oscilaciones del cristal a fin de producir paquetes de energía de corta duración.

Damping o amortiguador

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METODOS Y TECNICAS

Métodos: 

Contacto Directo: Pieza y palpador pegados por el acoplante. Por lo general son sistemas manuales y portátiles.



Inmersión: Generalmente sistemas automáticos o semiautomáticos. Se utilizan para sacar la zona muerta del palpador fuera de la pieza a inspeccionar. No hay desgaste por roce pieza - palpador. Los sistemas pueden ser de inmersión total, parcial o columna de agua y rueda.

Inmersión

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TECNICAS: 

Haz Normal: El haz es perpendicular a la pieza de ensayo (90 grados). Trabaja con ondas longitudinales o de compresión. Incluye palpadores del tipo Pulso-Eco y Emisor-Receptor.



Haz Angular: El ángulo de incidencia es diferente a 90 grados por lo que se genera una onda refractada. Trabaja generalmente con ondas transversales. Incluye palpadores del tipo Pulso-Eco y Emisor-Receptor.



Haz Superficial: Penetran el equivalente a . Extremadamente sensibles.

Técnica Haz Normal

Técnica Haz Angular

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Consideraciones especiales de la técnica de haz angular.

Generalmente utilizada para la evaluación de cordones de soldadura, la técnica de haz angular requiere del conocimiento de ciertos conceptos y ecuaciones matemáticas que ayudan a la calibración, manejo e interpretación de resultados.

Consideraciones especiales de la técnica de haz angular. • Medio Salto o paso: Es la mínima distancia a la cual debe colocarse el palpador angular del centro del cordón de soldadura para iniciar un barrido.

Consideraciones especiales de la técnica de haz angular. • Salto o Doble paso: Es el doble del valor del paso o medio salto. • La proyección horizontal se calcula como: S = 2 t Tan 



Es de hacer notar que a menos que la orientación de las discontinuidades o pared de fondo sea perpendicular al recorrido sónico difícilmente se obtendrá reflexión de la onda hacia el palpador.

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Recorrido de sonido, distancia de proyección, D.P.A

a

a  rs.sen P  rs. cos 

rs P 

a P T

R2



R1

A  ( R1  R 2).SEN P  2T  ( R1  R 2).COS T R COS 41



Técnica que usa dos transductores enfrentados para detección

de

discontinuidades

Consideraciones especiales de la técnica de haz angular:

Cuando el plano de la superficie a inspeccionar no es plano, se requiere un factor de corrección debido al incremento en las distancias recorridas por el haz sónico dentro del primer y segundo paso.

β

X D

Transductor

La distancia X se calcula empleado la siguiente formula: X= (R x Sen(β) x C1)/ C2

Donde: R= Radio del tubo (β) = Angulo deseado dentro del tubo C1= Velocidad del medio 1 C2= Velocidad del medio 2

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Ventajas del Contacto Directo vs. Inmersión: 

Portabilidad para trabajos en campo.



Pocos accesorios de instrumentación.



Posibilidad de usar ondas superficiales.



Gran poder de penetración.



Posibilidad de ensayos en piezas de gran tamaño.

Ventajas de la Inmersión vs. Contacto Directo: 

Posibilidad de inspeccionar con palpadores de alta frecuencia, logrando alta sensibilidad.



Altas velocidades de barrido durante la inspección.



Posibilidad de angulación con el mismo palpador.



Capacidad para inspeccionar piezas con superficies irregulares.



Muy buena resolución superficial.

Desventajas del Contacto Directo vs. Inmersión: 

Requiere una superficie suave para lograr un buen acople.



Dificultad para mantener el acople uniforme entre palpador y la pieza durante el barrido.



Algunos acoplantes son de difícil remoción.



Zona muerta dentro de la pieza.



Infinidad de palpadores según el ángulo de inspección requerido.



No existen muchos equipos automáticos.

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Desventajas de la Inmersión vs. Contacto Directo: 

Gran cantidad de instrumentación y accesorios.



Debido a la columna de agua o medio de inmersión se reduce drásticamente la amplitud de la señal.



Limitaciones en cuanto al tamaño de la pieza con respecto a la capacidad del tanque para sistemas de inmersión total.

SISTEMAS, EQUIPOS E INSTRUMENTOS

Sistemas:

Comprende el tipo de mecanismo que se utiliza para recibir la información proveniente del palpador de inspección. Generalmente se habla de sistemas de: 

Transmisión.



Pulso - Eco.



Resonancia.

Sistema de Resonancia:

El sistema de resonancia se basa en que cada espesor tiene una frecuencia fundamental de resonancia. Al encontrar esta frecuencia se puede determinar el espesor del material.

Sistema de Transmisión: 

Se basa en la cantidad de energía sónica recibida por el palpador receptor, la cual es función del ―efecto sobra‖ que generen las discontinuidades que se encuentren atravesadas en el recorrido sónico.

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Se utilizan dos palpadores, uno emisor y uno receptor, los cuales tienen igual ángulo de incidencia y frecuencia de trabajo, colocados y alineados dentro del recorrido sónico del haz.



El impulso ultrasónico puede venir por pulsos o continúo.

En la figura siguiente se puede observar este Sistema

Sistema de Transmisión:

Sistema de Pulso – Eco: 

El haz ultrasónico es generado por pulsos o intervalos de corta duración (50 a 2500 Hz).



Trabaja con un solo palpador el cual puede ser monocristal o dual.



Se basa en la medición de la intensidad acústica reflejada contra la discontinuidad que alcance al palpador para su recepción.



Existen dos tipos de equipos: Medidores de Espesor y Detectores de Fallas.

Sistemas Pulso Eco

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Es importante tener presente que la mayor energía emitida o recibida por un transductor se encuentra ubicada hacia el centro del mismo razón por la cual el transductor 1 presenta una indicación mayor que el 2. Sistemas Pulso – Eco, Medidores de Espesor: 

Los medidores de espesor son equipos pequeños que presentan la lectura en forma digital, midiendo generalmente solo el tiempo de vuelo de la onda requerido para recorrer el espesor de material.



Existen medidores de espesor con pantallas de representación A-Scan para verificación de las lecturas recibidas, sin embargo, estos equipos por su lentitud en la actualización de pantalla A-Scan no son recomendados para la detección y dimensionamiento de discontinuidades.

Sistemas Pulso – Eco, Detectores de Fallas: 

Los detectores de fallas son equipos generalmente portátiles que presentan las imágenes o trazos en forma digital, midiendo el tiempo de vuelo de la onda y la intensidad acústica recibida por el palpador una vez la onda a sido introducida en el interior del material.



Un detector de fallas presenta varios circuitos electrónicos que en su conjunto ofrecen la tecnología necesaria para el análisis y procesamiento de las señales.

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Los principales componentes electrónicos son: 

Fuente de poder.



Cronómetro o timer.



Generador de pulsos.



Generador de barrido.



Receptor - Amplificador.



Pantalla.

Detectores de fallas (reflectoscopio): 

Fuente: Es la encargada de suministrar toda la energía al sistema.



Circuito Timer: Este envía pulsos de disparo para el generador de barrido y para el generador de pulsos. Da inicio a los eventos, se encarga de producir y controlar el PRF que es la rata de repetición de pulsos, esta establece el numero de inspecciones por segundo en el sistema.



Generador de pulsos: Se encarga de producir el pulso de alto voltaje para excitar el cristal del palpador



Generador de barrido: Se encarga de hacer el trazo horizontal de la pantalla llamada línea base actúa sobre las placas de deflexión horizontal del TRC (Tubo de rayos catódicos o pantalla), este controla el rango, lo cual permite ajustar el equipo para medir diferentes distancias de recorrido del haz. Controla el Retardo o Delay.



Pantalla o CRT: Se encarga de mostrar la información.



Receptor Amplificador: Se encarga del control de la ganancia, césped o ―rejet‖.

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La amplitud de la señal se determina dB= 20 Log H1/H2

En la figura se muestra como la atenuación presente en el material afecta el pulso inicial, el primer eco de fondo y el segundo eco de fondo, se observa que el segundo eco es menor que el primero, esta disminución en la señal es por causa de la atenuación. Esta relación de perdida de energía puede ser calculada mediante la siguiente ecuación:

dB= 20 Log H1/H2

Donde: H1: es la altura de la señal inicial. H2: la intensidad de la señal final. dB: son los desibeles de diferencia entre las dos señales

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Una reducción de 6 dB en el control de ganancia del equipo ocasiona que la señal se reduzca a la mitad tal como se muestra en las graficas.

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Partes del equipo

Diferencias entre un equipo Analógico y uno digital.

La diferencia principal se encuentra en su pantalla, el analógico antiguo es del tipo CRT mientras que el digital es del tipo cristal liquido, otra diferencia es que el analógico antiguo tiene una perilla por cada función de ajuste del equipo mientras que el digital posee pocos botones pero detrás de cada botón existe una serie de ajustes que solo aparecerán al ser llamados.

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Componente Pulso inicial, (Main Bang):

Todo equipo detector de falla presenta en su pantalla una señal que se denomina Pulso Inicial y es a partir de aquí que el equipo puede comenzar a medir.

Esta formado por:

A- Cero eléctrico. B- Pulso de voltaje inicial. C- Ringing del cristal. D- Cero acústico.

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Sistemas Pulso – Eco, Detectores de Fallas:

Los tipos de presentación en pantalla más comunes utilizados por de los detectores de falla incluyen los denominados: 

A-Scan



B-Scan



C-Scan

Tipos de presentación en pantalla para sistemas pulso – eco: 

A-Scan: Muestra picos de amplitud basados en la intensidad acústica recibida.



B-Scan: Traza un corte transversal de la pieza basado en el tiempo de vuelo requerido por la onda para viajar entre la superficie de inspección y la superficie límite interna. Representa un vista lateral.



C-Scan: Bosqueja por intensidad de colores las diferentes profundidades del relieve interno de la pieza. Representa una vista de planta.

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A Scan

B Scan

C Scan

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Calibración:

Antes de proceder a calibrar un equipo debemos estar seguros que este se encuentra en perfecto estado de funcionamiento. Lo recomendado es que la unidad a utilizar posea un certificado que garantice su funcionamiento Correcto.

Verificación del equipo: En los equipos detectores de falla hay que vigilar que las condiciones operativas del mismo se mantengan a lo largo del tiempo.

Para ello debo verificar los siguientes parámetros operativos: 

Linealidad horizontal.



Linealidad vertical.



Linealidad de ganancia.

Patrones: 

Permiten establecer uniformidad en la calibración y generar repetitividad de respuesta, para lograr una correcta evaluación.



Deben ser del mismo material que el de ensayo.

Se dividen en: 

Referencia.



Calibración.



Especiales.

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Patrones de Referencia Permiten determinar el nivel de ganancia requerido para un tamaño de reflector crítico dado.

Se agrupan en: 

Alcoa Serie ―A‖, (Area - Amplitud).



Alcoa Serie ―B‖, (Distancia - Amplitud, DAC).



ASTM E-127, (mezcla de las series ―A‖ y ―B‖.

Patrones de Calibración: Permiten evaluar la operabilidad del conjunto Equipo - Palpador, Verificando sus condiciones de trabajo.

Algunos de ellos son: 

IIW V-1



IIW V-2



Bloque de resolución, etc.

Patrones Especiales:

Son los utilizados en aplicaciones especiales descritos en algunos códigos y normas.

Ejemplos de ellos serían: 

API-5L,



ASME



Escalonado, etc. 55



Aplicaciones del Bloque V-1:

Con los palpadores normales: 

Calibración en distancia.



Resolución.



Sensibilidad.

Con los palpadores angulares: 

Punto de salida del haz.



Angulo real del palpador.






Sensibilidad.

Aplicaciones del Bloque V-1,2: A pesar de ser similar al V-1, no es aceptado como sustituto por los códigos y normas internacionales.

Con los palpadores normales: 




Sensibilidad.

Con los palpadores angulares: 

Punto de salida del haz.



Angulo real del palpador.






Sensibilidad.

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Tipología de las Indicaciones:

La interpretación de una discontinuidad consiste en encontrar una relación entre la indicación observada con la propia naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño de la discontinuidad. Sin embargo, se debe ser cuidadoso, pues, algunas veces los ecos observados en pantalla no corresponden a discontinuidades presentes en la pieza de ensayo.

Para el análisis de las indicaciones presente en pantalla se deberá analizar cuidadosamente los siguientes parámetros: 

Distancia de la indicación al origen de la pantalla



Altura de la indicación



Forma de la indicación



Cambio que experimenta al mover el palpador



Variación que sufre con la frecuencia de ensayo.

De los resultados de éste análisis, se deben extraer conclusiones acerca de la naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño de la discontinuidad que ha dado lugar al eco.

Diferencia entre reflector, Discontinuidad y defecto.

Toda Señal, (diferente al pulso inicial), presente en la pantalla es principalmente originada por un reflector el cual es en esencia el que crea el ―eco‖ que retorna al equipo Ultrasónico, A esta se le denomina Indicación.

Dentro de estos casos, existen indicaciones causadas por la geometría propia de la pieza, a estos se les denomina Indicaciones NO relevantes. Estas no pueden ser llamados "defectos", ya que son propios de la pieza.

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Cuando se determina que la indicación es causada por un reflector que se encuentra dentro del material el cual no debería de estar allí se le denomina DISCONTINUIDAD. Es de hacer resaltar que toda Discontinuidad es siempre RELEVANTE.

Clasificación de las Discontinuidades.

De acuerdo a su origen, pueden clasificarse en tres grupos: 

Inherentes.



De proceso o fabricación.



De servicio.

Las inherentes

Son las que se originan durante la solidificación del material. Ejemplos de éstas son: rechupes, grietas de solidificación, porosidades, gotas frías, laminaciones, etc. Tambien durante el proceso de fabricación de piezas fundidas pueden ocurrir discontinuidades por interrupción de vaciado, gotas frías, o se pueden observar grietas superficiales o de contracción, vacíos de contracción, agujeros, bolsas de gas, porosidades, inclusiones de escoria o arena, etc.

Originadas durante los procesos de fabricación:

Son las que se originan durante los procesos de manufactura, tales como: laminación, forja, extrusión, soldadura, tratamientos térmicos, revestimientos metálicos presentando discontinuidades como: variaciones de espesor, agujeros, orificios y defectos superficiales, pliegues, inclusiones, grietas, fisuras, corte y hendiduras, inclusiones de escoria, grietas de contracción, faltas de fusión, porosidades, faltas de penetración, etc.

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Originadas durante el servicio de la pieza:

Están relacionadas con las condiciones de servicio, tales como: corrosión, erosión, fatiga, etc. La corrosión es el deterioro de un material mediante reacciones químicas o electroquímicas con el ambiente al cual está expuesto. La corrosión puede provocar la disminución desigual del espesor. En los bordes de grano de la estructura metalúrgica, puede ocurrir un fenómeno conocido como corrosión intergranular. También se pueden producir grietas sumamente pequeñas o microgrietas por el fenómeno conocido como corrosión bajo tensión. La erosión se define como la destrucción de materiales por la acción abrasiva de fluidos en movimiento, generalmente acelerada por la presencia de partículas sólidas o materia en suspensión. Su efecto se refleja en una disminución del espesor de la pieza. La fatiga es un fenómeno que origina la fractura de un material sometido a esfuerzos repetidos o fluctuantes, con un valor de esfuerzo máximo (esfuerzo de rotura), menor que el límite elástico del material. Las fracturas por fatiga son progresivas, empezando como fisuras diminutas que crecen bajo la acción del esfuerzo fluctuante. La fatiga produce una disminución de las propiedades elásticas del material; por plasticidad, se producirá la fractura final.

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Fisuras en soldadura

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Uniones soldadas mostrando la ubicación de inclusiones de escoria: (a) cercanas a la superficie de la soldadura y cerca de la raíz en una junta de un solo pase, (b)entre dos pases de soldadura en un cordón múltiple y (c) a un lado de la soldadura y cercano a la raíz

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. Diagrama que ilustra la ubicación de faltas de fusión en (a) junta a tope con bisel en ―V‖, (b) junta a tope con bisel en ―X‖. Penetración incompleta en (c) y (d)

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Características de las Discontinuidades.

Las discontinuidades vienen definidas, principalmente, por su naturaleza, morfología, orientación, posición y tamaño. 

La naturaleza: de las discontinuidades influye sobre su impedancia acústica. Si ambas impedancias son similares, la relación de impedancia baja ocasiona una pobre reflexión en la superficie límite por lo que será débil dando a lugar a una menor altura de la indicación del eco, o incluso, a su no aparición.



La morfología: determina la configuración geométrica de una discontinuidad, esta afecta a la cantidad de energía reflejada tanto en altura como en la forma de la indicación. Así, una discontinuidad de tipo esférico y de superficie rugosa, puede pasar desapercibida (a determinada frecuencia) a causa de la dispersión de energía que provoca.



La orientación: deberá ser tal que permita alguna reflexión del haz en la dirección adecuada. La orientación óptima se produce cuando el plano principal de la discontinuidad es perpendicular al eje del haz ultrasónico. Una discontinuidad de morfología plana, con orientación paralela al haz ultrasónico no dará, prácticamente, lugar a un eco.



La posición: a la que se encuentra la discontinuidad (en profundidad) afecta de manera significativa la señal de respuesta, si esta es suficientemente grande, su eco puede llegar a confundirse con el ruido de fondo y pasar inadvertida. Evidentemente, a medida que sea mayor su tamaño, mayor será la distancia a que tenga lugar la pérdida de la indicación.



El tamaño: deberá ser igual o mayor que media longitud de onda (λ) del haz ultrasónico. Un disco plano, de diámetro igual a la mitad de la longitud de onda, sólo será detectable en condiciones muy favorables, por lo que, en la práctica, ésta dimensión se considera como límite inferior de sensibilidad.

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Otros factores que afectan la indicación de un reflector: 

Las características del material: también afectan al ensayo por ultrasonido, estas son su impedancia acústica, su coeficiente de atenuación y el estado superficial de la muestra.



El estado Superficial: de la pieza bajo ensayo, lo idóneo es que la muestra tenga un acabado fino, a fin de que las perdidas de energía en la transmisión sean mínimas, de lo contrario se debe elegir un transductor con una frecuencia donde la longitud de onda sea el doble que el promedio de la rugosidad o en algunos casos la superficie deberá amolarse o lijarse para poder realizar con buena sensibilidad el ensayo.

Factores del Ensayo que afectan la indicación de un reflector 

La frecuencia: interviene en el tamaño que tendrá la longitud de onda (λ), esto determina el tamaño mínimo que un reflector deberá tener para ser detectado por ultrasonido. Para alcanzar niveles altos de poder de resolución se utilizan frecuencias de ensayo elevadas, pero se corre el riesgo de que se pierda tanto poder de penetración que el ensayo resulte inviable.



El campo cercano de Los palpadores: al ser mas largo

aumentara la

sensibilidad a detectar pequeñas discontinuidades situadas lejos de el. En general, será difícil detectar discontinuidades pequeñas que estén situadas a una distancia superior a tres veces la longitud del campo cercano. 

La posibilidad de emplear palpadores de mayor diámetro: o de mayor frecuencia está limitada, en la práctica, por las disponibilidades del mercado, por la superficie útil de apoyo del palpador en las muestras o por el aumento de la atenuación, así, para muestras de grandes dimensiones, se utilizaran palpadores de gran diámetro, eligiendo los mas pequeños y de elevada frecuencia, sólo para ensayos de hasta 100 milímetros de distancia.

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Detección e Identificación de una Discontinuidad.

Una vez detectada la discontinuidad procedemos a evaluar sus características como: 

Morfología (plano, cilíndrica, esférica, rugosa, irregular),



Orientación (respecto al haz ultrasónico: perpendicular u oblicua),



Posición



Tamaño



Naturaleza (grieta, escoria, poro, cavidad, hoja, etc)

La Morfología

Interviene en la forma del eco de indicación. Si el eco de indicación alcanza su altura total con pocos escalones normalmente, suele proceder de un reflector plano perpendicular a la trayectoria del sonido. Por el contrario, si la discontinuidad no es plana o es irregular o, siendo plana y rugosa, no se irradia perpendicularmente, la elevación del eco de indicación suele ser mas gradual, resultando, pues, mas ancha. Este mismo tipo de eco de indicación, puede provenir de pequeñas discontinuidades aisladas muy próximas, formando una agrupación de morfología esférica o cilíndrica.

Cuando se utilizan palpadores de incidencia normal a la superficie, es difícil la detección de la discontinuidad desde diversos ángulos, por lo que la información acerca de su morfología no será muy completa. Sin embargo, si se utilizan palpadores angulares, es posible, apuntar a discontinuidad desde diversos puntos o ángulos, lo que permite mayor precisión en la determinación de su morfología.

En ensayos con palpadores angulares, las discontinuidades se pueden clasificar dentro de tres categorías simples:

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Planas,



Cilíndricas



Esféricas


Otro método que permite determinar la morfología del reflector es su análisis a distintas frecuencias. De esta forma, se puede determinar su rugosidad que, si es menor que la tercera parte de la longitud de onda, dará una reflexión especular y, si es mayor, la reflexión será difusa. Un eco que a baja frecuencia es único, puede resolverse en varios ecos si se utiliza una frecuencia mayor, revelando que la indicación corresponde bien a una discontinuidad múltiple o bien a una discontinuidad irregular o muy rugosa.

Orientación de la Discontinuidad.

Para determinar la orientación de una discontinuidad, respecto del haz ultrasónico o de la superficie de exploración, será preciso examinarla desde tres ángulos distintos, si bien puede bastar con dos en algunos casos. Si se conoce el historial de la muestra y la naturaleza de las discontinuidades que puede presentar, puede ser suficiente la exploración desde un solo ángulo.

Concluyendo: como regla general, el eco será máximo cuando el haz ultrasónico sea perpendicular al plano principal de la discontinuidad.

Posición de la Discontinuidad.

Tanto en incidencia normal como en la angular es necesaria una calibración previa de la base de tiempo del equipo, de manera que permita una lectura rápida de la distancia recorrida por el haz ultrasónico en base al tiempo transcurrido entre el impulso acústico y la reflexión del eco de indicación.

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Naturaleza de la Discontinuidad.

Hemos dejado para el final la discusión de la determinación de la naturaleza de una discontinuidad, porque su diagnóstico debe venir informado previamente con los datos obtenidos del ensayo y relativos o la morfología, orientación, posición y tamaño de la discontinuidad. No se podrá asegurar, por ejemplo, que el reflector es una grieta menos que, previamente, se haya comprobado que su morfología tiende a ser o es plana.

Pero, por su naturaleza, las discontinuidades se pueden presentar como un vacío en el material (grietas, rechupes, cavidades, poros, etc.) o como impurezas, esto es, un cuerpo extraño en el material (escoria, inclusiones, segregaciones, etc.). Desde el punto de vista de su detección por ultrasonido recordamos que, aunque sus impedancias acústicas son muy distintas, su diferenciación puede llegar a ser engorrosa.

Aquí, una vez mas, son de gran utilidad los conocimientos sobre tecnología de materiales, de sus procesos y el disponer del historial completo de la muestra.

Aún así, se presentan dificultades a la hora de dictaminar sobre la naturaleza de una discontinuidad dada. Por ejemplo, en una unión soldada puede ser difícil distinguir entre una falta de penetración y una grieta longitudinal en la raíz, o una, falta de alineación oculta y una falta de fusión en la raíz.

En los casos que se requiere de una interpretación correcta sobre la naturaleza de una discontinuidad, se puede recurrir, si es factible, al empleo de otros ensayos no destructivos que complementen la información obtenida mediante un ensayo por ultrasonido. Si se trata de la puesta a punto de un proceso de inspección de una producción, será aconsejable recurrir a ensayos destructivos sobre muestras preseleccionadas.

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Discontinuidades Mayores que la Sección Transversal del Haz Ultrasónico.

Se determina su tamaño desplazando el palpador por la superficie de la pieza, de manera que quede trazado el contorno de la proyección de la discontinuidad sobre dicha superficie.

Esta técnica se suele denominar de exploración dinámica, en contraste con la de exploración estática (sin movimiento del palpador) que se realiza para la determinación del tamaño de discontinuidades menores que la sección transversal del haz ultrasónico.

Normalmente para determinar la longitud de una discontinuidad mayor que el haz sónico del transductor se utiliza la regla de la caída de los 6 decibeles.

Variación de las alturas de los ecos de pared posterior y discontinuidad

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Discontinuidades Menores que la Sección del Haz Ultrasónico.

En este caso, no se puede realizar la exploración dinámica, y la determinación del tamaño de la discontinuidad se lleva a cabo comparando su eco de indicación con los de otros reflectores ensayados en las mismas condiciones. Estos pueden ser: 

Tipo A: discontinuidades naturales conocidas, de idéntica naturaleza y morfología,



Tipo B: discontinuidades artificiales, de morfología similar a la esperada,



Tipo C: reflectores de forma de disco circular plano.

Una discontinuidad en un campo ultrasónico se comporta como un oscilador, es decir, puede asimilarse a un nuevo emisor de ondas, por lo que dará lugar a fenómenos de difracción, dispersión e interferencia, en función de su tamaño y de la longitud de onda del haz ultrasónico, con sus características direccionales, campo cercano, campo lejano y otras.

Por ello, cuando las discontinuidades son menores que la sección del haz ultrasónico, se puede establecer una nueva clasificación de tamaño, en base a su comparación con la longitud de onda: 

Discontinuidad muy pequeña, en relación con la longitud de onda,



Discontinuidad pequeña, del mismo orden de tamaño que la longitud de onda,



Discontinuidad grande, en relación con la longitud de onda. El efecto de la relación tamaño de la discontinuidad/longitud de onda (Dd/), sobre la direccionalidad, produce que, para el caso de un reflector perfecto en forma de disco circular plano, perpendicular al haz ultrasónico, la reflexión sea buena para relaciones de Dd/  2, mientras que la reflexión será difusa para relaciones Dd/  0,5.

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La rugosidad de la superficie de éstos reflectores afecta, también, el carácter de la reflexión, de manera que, para rugosidades menores que 1/3 de la longitud de onda, la reflexión será del tipo especular y difusa para rugosidades mayores.

La morfología, el tamaño y la rugosidad de una discontinuidad son, pues, magnitudes relativas y función de la longitud de onda.

Los estudios y experiencias sobre la determinación del tamaño de una discontinuidad, mediante la comparación de sus ecos de indicación con las correspondientes a reflectores en forma de disco circular plano, han dado lugar a dos técnicas distintas, pero que conducen a resultados similares: 

Utilización de bloques patrones, con reflectores constituidos por taladros de fondo plano



Empleo de diagramas, obtenidos mediante estudio teórico del comportamiento de un reflector circular plano en el campo ultrasónico.

Guía para la Interpretación.

Las siguientes reglas son un compendio de todo lo anteriormente expuesto y pueden ser útiles al operador en el momento de realizar el ensayo:

Determinar con la mayor exactitud la posición de la discontinuidad: 

Si la discontinuidad es mayor que la sección del haz. ultrasónico, mover el palpador y determinar la proyección de su contorno sobre la superficie de la pieza. Si se trata de discontinuidades menores que la sección del haz, aplicar alguna de las técnicas descritas.

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Si la discontinuidad está inclinada, ensayar con varios ángulos de incidencia hasta obtener la indicación máxima, lo que significará que se irradia perpendicularmente.



Si la altura de la indicación permanece relativamente constante al variar el ángulo de incidencia, la discontinuidad puede ser muy pequeña, rugosa o esférica.



Si la altura de la indicación decrece rápidamente al variar el ángulo de incidencia la discontinuidad puede ser relativamente grande y plana.



Si la altura de la indicación aumenta al ensayar a frecuencias mas bajas, la discontinuidad es rugosa.



Si, por el contrario, la altura de la indicación disminuye al utilizar frecuencias mas bajas, la discontinuidad está probablemente formada por pequeños reflectores discretos.

INDICACIONES FALSAS.

Se consideran como indicaciones falsas, los ecos de indicación que aparecen en pantalla y que no se deben a discontinuidades propias del material, o a la presencia de reflectores no identificados. Su aparición puede estar motivada a las siguientes causas: 

Interferencias eléctricas.



Indicaciones motivadas por el palpador.



Indicaciones originadas por la rugosidad superficial de la pieza.



Indicaciones debidas a reflexiones con conversión de ondas.



Indicaciones debidas a detalles constructivos de la pieza de ensayo.



Indicaciones debidas a la estructura del material.



Indicaciones por mala operación del sistema.

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Detección de discontinuidades Para detectar todas las posibles discontinuidades presentes, es necesario establecer una zona conocida como ―Zona de Barrido‖, que es el espacio dentro del cual se debe realizar el movimiento del transductor ( Barrido ).

Esta zona cuenta con un Límite Lejano (Distancia SD + 1 pulgada) y un Límite Cercano (Distancia SD/2).

Como se observa, la forma en ―V‖ del recorrido de la onda ultrasónica (Trayectoria en ―V‖) permite realizar la inspección de soldaduras. La parte inferior de la soldadura se observa utilizando la ―Primera Pierna‖ de la ―V‖, mientras la segunda pierna es utilizada para observar la parte superior de la soldadura.

Detección de Discontinuidades Longitudinales El transductor debe mantenerse perpendicular con respecto al eje de la soldadura y movido sobre la zona de barrido como sigue:

Movimiento transversal Para inspeccionar totalmente la sección transversal de la soldadura y zona afectada por el calor se debe realizar el desplazamiento del transductor a largo de la zona de

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barrido. Cada desplazamiento debe llevarse a cabo con un movimiento giratorio de aproximadamente 10º a 15º a cada lado de la línea central del transductor.

Movimiento lateral Este movimiento debe realizarse a todo lo largo de la junta soldada. Cada desplazamiento paralelo a la soldadura no debe ser mayor que el ancho del transductor. Ambos movimientos deben ser adecuadamente combinados

Estimación del tamaño de una discontinuidad Consiste en: Después de maximizar la indicación de discontinuidad, se desplaza el transductor en una dirección y se detiene el movimiento en el momento que el eco sufra una caída de amplitud al 50% (con respecto a la máxima), esto equivale a –6dB Se asume que la indicación cae a la mitad de amplitud cuando la parte central del haz se encuentra en el extremo de la discontinuidad, esto es, se está detectando el borde de la discontinuidad

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Barridos para realizar la Inspección.

Para realizar el barrido, el palpador puede ser desplazado en "zig-zag" o en movimientos rectangulares.

Ejemplo de un ensayo en soldadura con barrido en zig-zag de palpador angular, mostrando el recorrido ultrasónico según cada posición del palpador.

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Procedimiento de inspección ultrasónico para la detección de discontinuidades longitudinales y transversales en juntas soldadas a tope 75



Durante el movimiento del palpador, tanto en zig-zag como en forma rectangular, se debe girar el mismo, con el fin de que sean detectadas discontinuidades orientadas al azar, el palpador debe oscilar a izquierda y derecha con desplazamientos radiales, aproximadamente 30º, cuando el barrido se realiza perpendicular al eje de la soldadura. En el caso del movimiento transversal a la soldadura, barrido en forma rectangular, el avance del palpador a lo largo del eje de la soldadura no debe exceder el 75 % de la anchura activa del transductor entre un barrido y el siguiente. Las soldaduras deben ser barridas desde ambos lados ubicados en una sola superficie o desde el mismo lado en ambas superficies, para evitar que la presencia de reflectores con orientación plana no vertical sea obviada. Este tipo de reflectores se distinguen de los que si lo son, en que la amplitud de la señal de indicación obtenida desde ambos lados varía de manera apreciable.

En el caso de cordones de soldadura mecanizados o esmerilados, la detección de reflectores transversales al eje de la soldadura se realiza ubicando el palpador sobre el mismo cordón, y girándolo aproximadamente 30º .El barrido se debe efectuar en ambas direcciones. Si el ancho del cordón de soldadura excede el del palpador, se deben realizar barridos paralelos, donde éstos se sobrelaparán un 25 % como mínimo del ancho activo del palpador.

El volumen total de las uniones soldadas en ángulo con penetración completa, debe ser inspeccionado con ondas transversales o de corte, dirigiendo el haz ultrasónico hacia, o a lo largo, del eje de la soldadura, tal y como se muestra en la Figura.

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Procedimiento de inspección ultrasónico para juntas angulares, (a) con penetración completa, y (b) doble filete

Si son utilizadas ondas longitudinales o de compresión (palpador de incidencia normal) como método de ensayo, el barrido se efectuará por la cara opuesta a la soldadura, con un movimiento del palpador, donde los diferentes barridos deben solaparse alrededor de un 25 % del diámetro efectivo del cristal del palpador. Para la detección de reflectores en la raíz de uniones soldadas en ―T'" (tales como penetración incompleta), el ancho de la zona de inspección debe limitarse al ancho del miembro o alma de la unión. El ancho de la zona de inspección debe ubicarse

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mediante artificios ultrasónicos o mecánicos y trazar en la superficie de ensayo la zona de barrido. Sin embargo, el barrido con ondas transversales se efectuará, solamente, cuando la superficie opuesta al alma sea inaccesible. Cuando sea posible, el estudio se realizará mediante ondas longitudinales de incidencia normal.

“Las fallas nunca ocurren por casualidad, existe una acción que las origina, por lo que pueden ser predecibles y eliminadas desde su raíz. ” “Solo al prevenirlas podemos evitar sus consecuencias.”

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ANEXOS

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Partes del equipo

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Nº del Bloque 1 2 3 4 5 6 7 8

 del FBH 1/64‖ 1/32‖ 3/64‖ 1/16‖ 5/64‖ 3/32‖ 7/64‖ 1/8‖

Set de bloques Alcoa serie A

Dimensión A 1/16‖ 1 3/4" 1/8‖ 2 1/4" 1/4" 2 3/4" 3/8‖ 3 1/4" 1/2― 3 3/4" 5/8‖ 4 1/4" 3/4" 4 3/4" 7/8‖ 5 1/4" 1‖ 5 3/4" 1 1/4"  del FBH 3/64‖ 1/8‖ 5/64‖

Set de bloques Alcoa serie B

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Dimensión B 3‖ 1/8‖ 1/4" 1/2― 3/4" 7/8‖ 1 1/2" 3‖ 6‖ 3‖ 6‖

 del FBH 3/64‖ 5/64‖

1/8‖

Set de Bloques ASTM E-127

Bloque de Referencia I.I.W. V-2.

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Bloque Miniatura

Bloque de referencia I.I.W. para calibración en resolución de palpadores angulares

83



Discontinuidades artificiales a crear en un estándar de referencia según API 5L

Bloque Escalonado

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Aplicación del bloque I.I.W. V-1 para calibración de palpadores normales

Calibración de palpadores angulares mediante el bloque I.I.W.

85



Calibración de palpadores angulares mediante el bloque miniatura

Calibración de palpadores ―E-R‖ para medición de espesores

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Manual Nivel II Ultrasonido - Aeronaútica

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