Universidad de comahue ultrasonido

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ULTRASONIDO Ing. Ricardo Echevarria

AÑO 2002

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL COMAHUEFacultad de Ingeniería

Laboratorio de Ensayos No destructivos

Indices

Ing. Ricardo Echevarria–- Lab. END -–F.I. -– Univ. Nac. Comahue

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INDICE INDICE.................................................................................................................................................2 ENSAYO DE ULTRASONIDO ............................................................................................................4

1.- PRINCIPIOS ACÚSTICOS.........................................................................................................4 1.1 OSCILACIÓN .........................................................................................................................4 1.2 ONDAS: ..................................................................................................................................6 1.3 TIPOS DE ONDAS:................................................................................................................8

1.31 Onda longitudinal..............................................................................................................8 1.32. Onda transversal: ............................................................................................................9

1.4. SONIDO.................................................................................................................................9 1.41- Propagación del sonido:................................................................................................10 1.42 .El comportamiento de ondas sónicas en superficies limites........................................12 1.43. Dispersión, difracción , interferencia: ............................................................................15 1.44. Disminución de la presión sónica..................................................................................17

2. PRINCIPIOS BASICOS DE LOS INSTRUMENTOS. ...............................................................20 2.1. GENERACIÓN DE ULTRASONIDO...................................................................................20

2.11. Procedimientos mecánicos...........................................................................................20 2.12. Efecto magnetoestrictivo ...............................................................................................20 2.13. Efecto piezoeléctrico .....................................................................................................20

2.2. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ULTRASONICO............................................................23 2.21. Procedimiento de transmisión.......................................................................................23 2.22. Procedimiento de pulso-eco..........................................................................................25 2.23. Otros procedimientos de ensayo ..................................................................................27

2.3. PALPADORES....................................................................................................................28 2.31 Propiedades....................................................................................................................28 2.32. Campo sónico................................................................................................................29 2.33. Descripción de palpadores ultrasónicos .......................................................................31

2.4. EQUIPOS DE ENSAYO ULTRASONICO ..........................................................................43 2.41. Instrumental básico .......................................................................................................43

2.5. SISTEMAS DE REPRESENTACION .................................................................................49 2.51 Representación "Tipo A" (o pantalla Tipo A) .................................................................49 2.52 Representación "Tipo B" ................................................................................................49 2.53 Representación "Tipo C" ................................................................................................50

2.6. BLOQUES PATRONES DE CALIBRACION Y DE REFERENCIA....................................51 2.61 Bloques de calibración ...................................................................................................51 2.62 Bloques normalizados de referencia..............................................................................51

3.- PRINCIPIOS BASICOS DE APLICACIÓN ..............................................................................54 3.1. ACOPLAMIENTO................................................................................................................54 3.2. SUPERFICIE DE LA PIEZA DE ENSAYO .........................................................................54

3.21. Rugosidad......................................................................................................................54 3.22. Curvatura .......................................................................................................................55 3.23. Recubrimiento................................................................................................................57

3.3. SELECCION DE LOS PALPADORES...............................................................................57 3.31. Procedimiento de ensayo..............................................................................................57 3.32. Selección de la dirección del haz ultrasónico...............................................................57 3.33. Selección de la frecuencia de ensayo ..........................................................................58 3.34. Selección del tamaño del transductor...........................................................................59

3.4. AJUSTE DEL EQUIPO .......................................................................................................61 3.5. TECNICA DE INMERSION.................................................................................................61

Indices


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Calculo de compensación en ultrasonido por inmersión...........................................................66 3.6. INTERPRETACION DE LA PRESENTACION EN LA PANTALLA DE TRC.....................68

3.61. Indicaciones de defectos ...............................................................................................69 3.62. Indicaciones de defectos aparentes .............................................................................72

3.7 DETERMINACION DE LA FORMA Y TAMAÑO DE DISCONTINUIDADES......................77 3.71. Discontinuidades grandes.............................................................................................78 3.72. Discontinuidades pequeñas ..........................................................................................79

Diagramas AVG..........................................................................................................................79 Método DAC ...............................................................................................................................82

Descripción de reflectividades:...............................................................................................82 3.9. PROCEDIMIENTOS GENERALES DEL ENSAYO ULTRASONICO................................87

Bibliografía: ....................................................................................................................................89

1 – Principios acústicos


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ENSAYO DE ULTRASONIDO

1.- PRINCIPIOS ACÚSTICOS Para obtener una mejor comprensión de los fenómenos que ocurren en el ensayo no destructivo de ultrasonido, es necesario recordar algunos pocos conceptos físicos básicos.

1.1 OSCILACIÓN Como punto de partida consideremos el término oscilación y todas sus características relacionadas. Un ejemplo bien conocido de oscilación son los péndulos o las cuerdas de un instrumento musical, cuya característica común de oscilación en ellos es el cambio regular de su valor de estado ( por ejemplo posición de una partícula de la masa) o el periódico alcance de una condición instantánea (en un péndulo, por ejemplo, el punto de inversión derecho o izquierdo). Un péndulo puede moverse veloz o lentamente, fuerte o débilmente; dos péndulos idénticos pueden oscilar en el mismo sentido o no con otro. Los siguientes términos están relacionados con las vibraciones y serán abreviadamente definidos como sigue: OSCILACIÓN (CICLOS): cambio periódico de la condición o el comportamiento de un cuerpo. PERÍODO: tiempo necesario para llevar a cabo una oscilación, por ejemplo el tiempo en que un cuerpo se mueve un ciclo completo relacionado al momento de estados idénticos. Este se designa "t" y es usualmente expresado en segundos (seg.), ver figura 1.

Fig. 1 : Oscilación de un péndulo ( derecha) y su representación gráfica vs. el tiempo

FRECUENCIA: Es la inversa del período o el número de oscilaciones (ciclos) por unidad de tiempo. La frecuencia se la designa con "f" dando la relación:



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tf

1=

(1)

La unidad es el "Hertz" (Hz). 1 Hertz (Hz) = 1 ciclo por segundo. 1 Kilohertz (KHz) = 103 Hz = 1000 ciclos por segundo. 1 Megahertz (MHz) = 106 Hz = 1 millón de ciclos por segundo. 1 Gigahertz (GHz) = 109 Hz = 109 ciclos por segundo.

Fig.2: Ejemplo de oscilaciones con diferentes tiempos y frecuencias. AMPLITUD: Es la máxima desviación del cuerpo oscilante desde la posición de equilibrio (posición cero), ver figura 3 . Si la amplitud (designada por "A") es constante en el tiempo, la oscilación es desamortiguada; si esta decrece con el tiempo, se la llama oscilación amortiguada, ver Fig. 5.

Fig. 3: Definición de la amplitud “A” de una oscilación

FASE: Es la condición instantánea en una oscilación: el concepto se aplica principalmente cuando se comparan 2 oscilaciones, de modo que es también llamado diferencias o desplazamiento de fases, ver Fig. 4. La diferencia de fase, designada por "ÄÖ", es comúnmente dimens ionada en grados de ángulo, donde el período “t” corresponde a un ángulo de 360º (círculo) ,



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Fig. 4: Ejemplo de oscilación con diferencia de fases "ÄÖ"

AMORTIGUACIÓN o ATENUACIÓN: Decremento en el tiempo de la amplitud de una oscilación. Las diferentes razones por lo que sucede esto, se verán más adelante. Ver Fig. 5 .

Fig. 5: Oscilaciones amortiguadas y desamortiguadas

1.2 ONDAS: Hasta aquí se ha considerado el comportamiento de un cuerpo simple ( por ejemplo el péndulo). La misma consideración se puede aplicar ahora aplicada a partículas elementales (átomos y moléculas) de un cuerpo. Aquí deben ser discutidas algunas características de gran importancia para el ensayo ultrasónico debido al gran número y a las fuerzas actuantes entre ellos (átomos y moléculas). Si varios cuerpos son acoplados entre sí rígidamente y a uno de ellos se lo hace oscilar, todos los otros oscilarán en la misma fase, frecuencia y amplitud; mientras sea desamortiguado, esto puede ser considerado como una entidad, ver Fig. 6.

Fig. 6: Modelo de acoplamiento rígido.



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No obstante, si estos cuerpos no estuvieran unidos uno con otro, los demás permanecerían en reposo si uno de ellos oscilase (Fig. 7) .

Fig. 7: Modelo sin uniones

Cuando hay una unión elástica entre estos cuerpos (por ejemplo varios péndulos unidos por elásticos (o resortes) Fig. 8), la oscilación de uno de los cuerpos será gradualmente transmitida al adyacente y así siguiendo. De esta forma se produce una onda. Ver Fig. 9 .

Fig. 8: Modelo con acoplamiento elástico.

Fig. 9: Modelo de una onda (longitudinal) y su propagación. ë :longitud de onda

Las definiciones relacionadas a la ocurrencia y la propagación de ondas son las siguientes: Onda: es la propagación de una oscilación y sucede cuando una partícula oscila transmitiendo su vibración a la adyacente. Las partículas adyacentes tienen una diferencia de fase constante.



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El gráfico de una onda es similar al de una oscilación, pero versus una distancia en lugar del tiempo. Acoplamiento : Unión entre dos partículas adyacentes o medio, y es el factor necesario para la ocurrencia y propagación de ondas. Un acoplamiento total (rígido) o el no acoplamiento total nunca ocurre en la naturaleza, esto varía dentro de límites amplios. El acoplamiento es producido por fuerzas atómicas o moleculares elásticas de enlace, por fricción, por gravitación, etc. Velocidad de propagación (velocidad sónica): es la velocidad de propagación de una onda, relacionada a iguales fases, por lo que de allí también es llamada velocidad de fase. Es designada por "c" (en alguna bibliografía también como "v") y se expresa en cm/s , m/s ó Km/s . La velocidad sónica es una propiedad del material. Longitud de onda: es la distancia entre dos puntos adyacentes de condición de oscilación equivalente o igual fase, mirando en la dirección de propagación. La longitud de onda es una magnitud muy importante, designada por " ë ", y cuya relación de aplicabilidad es la siguiente:

. ë = c * t = fc

; f =λc

; c = f∗λ (2)

1.3 TIPOS DE ONDAS: La propagación de ondas puede ocurrir en dos direcciones: a) en la dirección de oscilación de las partículas b) en la dirección perpendicular de oscilación de las mismas. Existen los siguientes tipos de ondas: 1.31 Onda longitudinal Aquí, la dirección de oscilación de las partículas coincide con la dirección de propagación de la onda como muestra la Fig. 9. Como ejemplo, se puede mencionar una onda normal ( variación de compresión) en aire. Por esto es también llamada onda de compresión, ver Fig. 10.

Fig. 10:Ondas longitudinales y transversales



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1.32. Onda transversal: La dirección de oscilación de la partícula es perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Un ejemplo obvio, aún cuando no sea correcto en el sentido físico, es el encontrado en ondas en agua (oscilación vertical, propagación horizontal) En la Fig. 10, estos dos tipos de ondas son comparadas con sus explicaciones pertinentes. Los pequeños puntos representan las partículas elementales del medio. Por añadidura, pueden ser posible combinaciones de estos dos tipos de ondas lo que será discutido más adelante .

1.4. SONIDO Consideraremos el capítulo de sonido fuera del amplio campo de las oscilaciones y procesos de ondas y explicaremos esto algo más detallado debido a que es de importancia en el método de ensayo. El sonido, como se conoce diariamente, se propaga en forma de ondas. En oposición a las ondas magnéticas, calóricas y lumínicas está asociado con la presencia de materia. En el rango de sonido audible uno puede distinguir: Tonos: esto es determinado por la frecuencia. Volumen: depende de la amplitud de oscilación . Timbre: es determinado por la ocurrencia de varias frecuencias simultáneamente, por las varias amplitudes de una oscilación individual , y por la duración de las diferentes componentes del sonido. Respecto a la frecuencia (tonos), más allá de las divisiones que puedan ser hechas, se sabe que no todas ellas son audibles para el oído humano. Solamente lo es un cierto rango, con un límite superior e inferior, el cual puede diferir entre individuos y que puede variar con la edad. El límite inferior de audibilidad se halla alrededor de 16 Hz, y el superior alrededor de 20 KHz. De acuerdo con convenios internacionales , el rango es ahora subdividido como sigue: Subsónico: f < 16 Hz; esto es el rango de vibración debajo del límite de audibilidad. No se escuchará ningún tono , solo se notará presión. Sonido audible: 16 � f � 20 Hz, rango de frecuencias de sonido que son audibles por el oído humano. Ultrasonido: f > 20 KHz, estas frecuencias están por encima del límite de escucha humana. Las frecuencias usuales para los ensayos no destructivos son en el rango de 0.5 a 25 MHz. Ver Fig.11.

Fig. 11: Espectro acústico

Se puede hacer una subdivisión de acuerdo a la duración del sonido en :



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Sonido continuo: la duración del sonido es mucho mas larga que el tiempo de oscilación , Sonido pulsado: aquí la duración del sonido es solamente unas pocas veces el tiempo de oscilación. El intervalo entre dos pulsos es mucho mas largo que la duración del pulso, ver Fig. 12.

Fig. 12: Sonido continuo y por pulsos graficado vs. tiempo ,

1.41- Propagación del sonido: Como ya se mencionó, la propagación de las ondas sonoras esta vinculado a la materia. Por ejemplo si una onda sonora se está propagando, debe existir un material sólido, líquido o gaseoso, por lo que se deduce que la onda sonora no es más que la propagación de las vibraciones de las partículas del material elástico. Ya que líquidos y gases no ofrecen ninguna resistencia a los esfuerzos cortantes, las ondas transversales (ondas de corte) no pueden ser propagadas en estos medios.

En líquidos y gases solamente pueden ser

propagadas ondas longitudinales.

Por esta razón, el ejemplo dado en 1.32 no es aplicable a esto.

En materiales sólidos, se pueden propagar las ondas longitudinales y transversales como así también todas sus combinaciones.

Las ondas longitudinales o transversales puras, sólo se formarán si el espesor del material con respecto a la dirección de propagación de la onda, es considerablemente mayor que la longitud de onda . De otro modo, se formaran en las chapas o láminas, un tipo de ondas combinadas de los dos anteriores, que son llamadas ondas de chapa o Lamb. Estas ondas se pueden subdividir en ondas de dilatación y flexión adicionales, ver Fig. 13.

Fig. 13: Tipos de ondas de Lamb. Arriba: onda de dilatación. Abajo onda de flexión .



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Una nueva combinación de ondas longitudinales y transversales son las ondas superficiales, ver Fig.14, las cuales pueden existir solamente a lo largo de la superficie, siendo capaces de seguir una superficie curvada. Como se puede ver en la figura 14, la profundidad de penetración de una onda superficial es aproximadamente igual a la mitad de la longitud de onda.

Fig. 14: Onda superficial.

Para completar, también serán mencionadas las ondas de torsión, las cuales se pueden dar en cuerpos con forma de barras. Estas, son oscilaciones rotacionales alrededor del eje longitudinal de la barra, la dirección de propagación se sitúa en la dirección del eje longitudinal.

La velocidad de propagación (velocidad de sonido) de ondas longitudinales, transversales o de superficie, son constantes del material, independientes de la frecuencia y dimensiones del material.

Existe la siguiente correlación:

Cl= )3()2)(1(1

-1µµ

µρ −+

∗E

Cl= )()(

412

1µρ +

∗E

Cs = 0.9 t Donde Cl = velocidad de la onda longitudinal. Ct = velocidad de la onda transversal. Cs = velocidad de la onda superficial. E = Módulo de elasticidad de Young ρ = densidad. µ = constante de Poisson.



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La velocidad de propagación de las ondas Lamb (tipos de flexión y dilatación) y las ondas de torsión dependen no solamente de las constantes del material dadas arriba, sino también de las dimensiones del mismo, del tipo de onda y de su frecuencia. La dependencia de la frecuencia de la velocidad de onda del sonido, es también llamada " dispersión"

Las ondas sónicas que se esparcen uniformemente en todas direcciones son llamadas ondas esféricas, aquellas que se esparcen sólo en una dirección, ondas planas. 1.42 .El comportamiento de ondas sónicas en superficies limites 1.421. Dirección del sonido en superficies limites perpendiculares . Si una onda sónica incide normalmente en la interfase de dos materiales, una parte de la energía sónica es transmitida al otro material, mientras que otra parte será reflejada, como se muestra en la figura 15 .

Fig. 15: Incidencia del sonido normal a la interfase entre dos medios.

Las proporciones de energía transmitida y reflejada dependen de la impedancia de los dos materiales . La impedancia acústica se puede calcular como:

Z = ρρ * c (6)

Donde Z = impedancia acústica ρ = densidad del material del medio considerado C = velocidad del sonido del medio considerado

Si una onda sónica viaja a través de un material con impedancia acústica Z1, e incide perpendicularmente en una interfase correspondiente a otro material con impedancia acústica Z2, se pueden definir las siguientes magnitudes:



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Factor de reflexión : R´ =12

12

ZZ

ZZ

−

− (7)

Factor de transmisión : T' = 12

22

ZZZ

+ (8)

El factor de reflexión da la proporción (%) de presión acústica reflejada y el factor de transmisión da la proporción de presión acústica transmitida en el segundo material . "R'" puede ser positivo o negativo, "T'" puede ser mayor o menor que 1, dependiendo cuál de los dos, Z1 ó Z2 es mayor. Esto no esta en contraposición con el principio de energía, sino que aquí se considera la presión acústica y no la energía (o intensidad) acústica. Un material con alta impedancia acústica es llamado "acústicamente duro" y uno de baja impedancia, "acústicamente blando".

Si la impedancia acústica de los dos medios son iguales (Z1= Z2), no hay reflexión ( R'= 0 ), el sonido pasa a través de la 1interfase si alterarse (T'= 1).

Será mencionado nuevamente que los valores de R' y T' están relacionados con la presión y no con la intensidad acústica. Esta forma de representación ha sido elegida deliberadamente, puesto que la amplitud del eco que aparece indicado en un equipo de ultrasonido es proporcional al valor de la presión acústica . De las expresiones (7) y (8) se deduce, en primer lugar, que la presión acústica reflejada será de la misma amplitud, cualquiera sea el lado de la superficie límite sobre el cual incide la onda, es decir, independiente de la secuencia de ambos materiales; si bien en el caso de ser Z2> Z1, R' será positivo lo que indica que la onda incidente y la reflejada están en la misma fase y, en caso contrario, (Z2 < Z1), R' será negativo, lo que indica una inversión de fase de la onda reflejada con relación a la incidente . En cambio, la presión acústica transmitida, si bien en fase con la onda incidente, no será independiente de la secuencia de los dos materiales, de manera que se Z2> Z1 , T' >1, lo que indica que su amplitud será mayor que la de la onda incidente y en caso contrario ( Z2< Z1 , T1'<1) menor. Ver Fig.. 16 .

Onda incidente en acero Onda incidente en agua

Fig. 16: Valores de la presión acústica en el caso de reflexión en una superficie. Límite acero-agua



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Si se quiere hallar la relación entre las impedancias acústicas y la intensidad denominamos:

R= IiIr al coeficiente de reflexión

T = IiIt

al coeficiente de transmisión

Ambos adimensionales que expresan el porcentaje de intensidad reflejada y transmitida, respectivamente, en relación con la intensidad incidente. El balance de energía, expresada en intensidad, nos da: y por consiguiente De la teoría de la propagación de ondas acústicas se obtiene:

2

12

121

+

−=

ZZ

ZZR ;

( )221

214

ZZZZ

T+

∗=

De aquí se deduce que, desde el punto de vista de las intensidades acústicas, es indiferente el lado de la superficie límite sobre el cual incide la onda, ya que los valores de R y T no cambian al permutarse entre sí Z1 y Z2, a diferencia de lo que ocurría con las presiones acústicas. 1.422. Incidencia oblicua en la interfase Si la onda sónica incide sobre la interfase con un ángulo oblicuo, los fenómenos que ocurren son considerablemente más complicados que con una incidencia normal. Nuevamente hay una componente reflejada y otra transmitida, pero el hecho además origina que parte de la energía acústica sea convertida en otro tipo de onda, por lo que habrá dos ondas reflejada y dos transmitidas, ver Fig.. 17 .

Fig. 17:Incidencia oblicua de una onda sónica .

Ii= Ir + It

R + T= 1



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A partir de la incidencia de una onda longitudinal con un ángulo oblicuo se crearán:

- Una onda longitudinal reflejada. - Una onda transversal reflejada.

- Una onda longitudinal refractada. - Una onda transversal refractada.

En medios líquidos y gaseosos, por supuesto, la componente transversal asociada desaparece. Las diferentes direcciones están definidas por el ángulo formado entre la onda y la normal en el punto de incidencia sobre la interfase. Con una incidencia oblicua del sonido sobre la interfase entre dos medios, se aplican leyes físicas similares a las utilizadas en óptica . Con una proporción de sonido pasando a través de la interfase, uno hablará, por analogía con la óptica, de "refracción" u "onda refractada", mientras la expresión "reflexión" se conservará. La ley de Snell de refracción, bien conocida en óptica, es también válida aquí y es :

sen αα 1 = C 1 ; sen αα 1 = sen αα 2 (10) sen αα 2 C2 C1 C2

La relación es aplicable para todo tipo de ondas, independientemente si uno esta trabajando con la componente reflejada o refractada. Solo los ángulos correspondientes y las velocidades de propagación deben ser introducidos en la fórmula . 1.43. Dispersión, difracción , interferencia: Si una onda sónica encuentra un obstáculo, por ejemplo un medio con diferentes propiedades acústicas, pueden ocurrir varios fenómenos, dependiendo del tamaño del obstáculo. Los siguientes tres casos serán apuntados, ver Fig. 18.

Fig. 18: Dispersión y difracción de ondas en obstáculos .



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a) El obstáculo es pequeño comparado con la longitud de onda, en este caso, aquel no interfiere la propagación de la onda y ésta viaja como si el obstáculo no estuviera presente. 1.431. Dispersión. b) Si el tamaño del obstáculo es del mismo orden de magnitud que el de la longitud de onda, el proceso de propagación, como un todo, es débilmente interferido, aunque, algo de energía de la onda es absorbida. Esta energía se extenderá como una nueva onda esférica en todas direcciones, con el obstáculo como punto central. Este proceso es llamado " dispersión ". La dispersión está ilustrada gráficamente por la ley de reflexión y refracción en la Fig. 19.

Fig. 19:Esquema de dispersión acústica

1.432. Difracción. c) Si tenemos un obstáculo más grande que la longitud de onda, y si además asumimos que la impedancia acústica del obstáculo difiere mucho del de los alrededores, se producirá una reflexión de la onda en el mismo. En efecto, no habrá onda de propagación detrás de él (sombra de la onda), pero esta sombra será cada vez menor con el incremento de la distancia desde el obstáculo. Esto ocurre porque las partes de la onda que corren a lo largo de los bordes del obstáculo son algo curvadas (difractadas) y corren oblicuamente hacia el interior de la sombra. De la misma forma el haz de onda reflejado se abre hacia el frente. Este proceso es llamado “difracción", ver Fig. 18 . Por supuesto , estos procesos no son aislados unos de otros, mas bien ocurren con una transición gradual, dependiendo del tamaño del obstáculo. Así se produce "difracción" y "dispersión" en un obstáculo de tamaño medio. 1.433. Interferencia Hay aún otro fenómeno: la nueva onda reflejada se superpone con la original tal que, dependiendo de las fases de ellas, se puede producir un refuerzo, un debilitamiento, o una completa anulación. Si la onda original tiene un pico (máximo) al mismo tiempo que la reflejada, las dos se sumarán, y el pico de la nueva onda será mayor que la original. En cambio, puede ocurrir la desaparición cuando el máximo de una coincide con el mínimo de la otra, o cuando una tenga la misma altura que profundidad en la otra. Tal superposición se llama " interferencia ", ver Fig. 20.



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Fig. 20 : Superposición de ondas

1.44. Disminución de la presión sónica Al alejarse la onda sónica del transmisor, la presión sónica disminuye. Esta reducción tiene varias causas: 1.441. Divergencia Un transmisor sónico radia el sonido no solamente en una dirección, sino en un dado rango angular (similar a un "cono" luminoso). La sección transversal del haz se hace mayor con el incremento de la distancia, de tal forma que la energía se distribuye sobre ,un área cada vez mayor. La cantidad de energía sónica por unidad de área así se va haciendo cada vez menor, como se muestra en la figura 21.



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Fig. 21: Reducción de la presión acústica causada por la divergencia.

Este fenómeno es llamado divergencia. Una onda plana no tiene divergencia en contraposición a una onda esférica (ver también capítulo 2.32). 1.442. Atenuación del sonido El amortiguamiento (atenuación) del sonido no es causado por la geometría de propagación, sino que es una característica del material. Los siguientes fenómenos son responsables de la atenuación del sonido: 1.4421. Dispersión, ver sección 1.431 1.4422. Absorción Parte de la energía acústica disminuye debido a las perdidas por fricción, con lo cual se convierte en calor. Esta "fricción interna" crece con la frecuencia. Materiales con alta fricción interna (igual a alta absorción) se usan como amortiguadores acústicos. El coeficiente de atenuación acústico indica la cantidad de atenuación sónica por unidad de longitud de recorrido del sonido, para un determinado material. Además del material, la atenuación sónica también depende de la frecuencia y del tipo de onda. 1.443. Medición de la atenuación: La atenuación se mide en decibeles (dB), una unidad comparativa logarítmica. Esto es bien conocido por los electrónicos y definido como:

a [dB] = 20 log U 1 (11) U2 U: voltajes eléctricos. a: atenuación de la respuesta de ganancia.

Así, la altura de las indicaciones de los ecos en la pantalla del osciloscopio son proporcionales a los voltajes de los impulsos de los ecos, lo que puede ser escrito como:

H 1 = U 1 (12) H2 U2 (H: altura del eco)

y de allí:,



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21.20 H

HLoga = Se puede ver que solamente comparando la altura de dos ecos será posible obtener evidencias de la atenuación del sonido. Tal estimación es posible si hay posibilidades de comparación . Con una relación de altura de dos ecos H1/H2 = 2/1 = 2 encontramos:

a = 20 log 2 = 20 2x 10,3 = 6 dB Esto significa que una reducción de 6 dB en la altura del eco, corresponde a un decremento a la mitad de su altura.

2- Principios básicos de los instrumentos


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2. PRINCIPIOS BASICOS DE LOS INSTRUMENTOS. Los modelos del instrumental para ensayos ultrasónicos están constantemente cambiando debido al progreso técnico; sus principios básicos tienen, sin embargo, una vigencia inalterable. Estos conocimientos deberían ser familiares al operador, para que le permitan la selección del método óptimo para resolver su problema de ensayo entre varias posibilidades. Esta segunda parte de este apunte describe los tipos de palpadores usados comúnmente tanto como la construcción de los instrumentos y sus accesorios mas simples. ULTRASONIDO De acuerdo a la definición (inc. 1.4) la región del ultrasonido comienza más allá de la frecuencia de 20 KHz. Para el ensayo no destructivo de materiales reviste particular interés el rango de 0,5 - 15 MHz ; en algunos casos específicos ( el ensayo de hormigón, por ejemplo), también el rango de 50 KHz y frecuencias más altas.

2.1. GENERACIÓN DE ULTRASONIDO 2.11. Procedimientos mecánicos. Existe un gran número de métodos para generar ultrasonidos; en principio sirven ya los mismos procedimientos que se emplean para generar sonidos audibles. Si los dispositivos capaces de oscilar se construyen con una frecuencia propia correspondientemente alta. Empero, estos procedimientos mecánicos, y algunos otros principios, no se utilizan en el ensayo no destructivo de materiales, recurriéndose por el contrario a otros efectos físicos, a saber: el efecto magnetoestrictivo, y sobre todo el efecto piezoeléctrico. 2.12. Efecto magnetoestrictivo Los materiales ferromagnéticos (muy especialmente el níquel, además del acero), tienen la propiedad de contraerse o expandirse por efecto de un campo magnético. Inversamente, en una barra de acero ferromagnético se produce un campo magnético si es expuesta a un esfuerzo de tracción o compresión. Este efecto se aprovecha para lograr altas potencias sonoras a relativamente bajas frecuencias, por ejemplo, en el ya mencionado ensayo de hormigón o en el caso de algunos otros problemas específicos en cuyo detalle no ha de entrarse en este trabajo. 2.13. Efecto piezoeléctrico El efecto piezoeléctrico reviste una importancia mucho mayor, siendo aprovechado casi universalmente para el ensayo no destructivo de materiales. Ciertos cristales naturales o sintetizados tienen la propiedad de que en presencia de un esfuerzo de tracción o compresión se originan cargas eléctricas en su superficie. La carga cambia de signo si se invierte la dirección del esfuerzo. Así es que en las superficies de un cristal expuesto alternativamente a un esfuerzo de tracción y un esfuerzo de compresión existe un potencial alternativamente positivo y negativo ( tensión alterna). El efecto piezoeléctrico es reversible, es decir, cuando se aplica una carga eléctrica a la superficie del cristal, esta se contrae o se expande según el signo de la carga eléctrica. Una tensión eléctrica alterna, aplicada a las superficies del cristal, da origen a oscilaciones mecánicas de presión (expansión y contracción); Fig. 22. De la reversibilidad se extrae, de modo inmediato, que puede emplearse el mismo principio para generar y recibir ondas longitudinales ultrasónicas. En efecto, en la mayoría de los casos se utiliza un mismo cristal como emisor y receptor.



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Fig. 22: Efecto piezoeléctrico del cuarzo (corte X)

El efecto piezoeléctrico no es propio de todos los cristales y sólo se produce en determinadas condiciones. El ejemplo más conocido es el cuarzo. Un cristal de cuarzo natural tiene una forma determinada, siempre recurrente, que se describe con ayuda de los ejes cristalográficos, designados ejes X , Y y Z, igual que en un sistema de coordenadas cartesianas normales. (Fig. 23). El efecto piezoeléctrico sólo se consigue en el cuarzo si la lámina de cuarzo ha sido cortada del cristal, perpendicularmente al eje X o al eje Y. En el primer caso, la deformación mecánica del cristal tiene lugar en la misma dirección del campo eléctrico; en el segundo caso perpendicularmente a ella. Por esto se habla de cuarzos, u oscilaciones, de corte X y de corte Y. Los cuarzos de corte X generan ondas longitudinales; los de corte Y, ondas transversales (Fig. 24). En la mayoría de los casos entra en consideración el corte X. Además del cuarzo, la turmalina como mineral natural, presenta también el efecto piezoeléctrico. Una significación mucho mayor han alcanzado los transductores cerámicos sinterizadas que adquieren el efecto piezoeléctrico por "polarización", esto es un enfriamiento desde una alta temperatura característica del material con exposición a altos voltajes eléctricos. El efecto piezoeléctrico puede, sin embargo, perderse por despolarización cuando se excede la temperatura de Curie. Los cerámicos sinterizados más importantes son el titanato de bario, el sulfato de litio, el zirconato de plomo-titanio (PZT) y el metanobiato de plomo.



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Fig. 23. a) Sistema simplificado de coordenadas en un cristal de cuarzo; posiciones de cortes X e Y. b) efecto piezoeléctrico del cuarzo.

Fig. 24: Efecto piezoeléctrico del cuarzo (corte Y)



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2.131. Características de algunos materiales piezoeléctricos. Cuarzo: fue el primer material usado. Tiene características muy estables en frecuencia, sin embargo es muy pobre como generador de energía acústica y es comúnmente reemplazado por materiales muy eficientes. Sulfato de litio: es muy eficiente como receptor de energía acuática, pero es muy frágil, soluble en agua y su uso esta limitado a temperaturas por debajo de los 75º C. Cerámicas sinterizadas: producen los generadores más eficientes de energía acústica, pero tienen tendencia al desgaste.

2.2. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO ULTRASONICO. Según se dijo en 1.42, una onda ultrasónica incidente: en parte se refracta y en parte se refleja si existe una variación de la resistencia a la onda sonora, como en el caso en que exista un defecto dentro del material. De ello se derivan dos procedimientos de ensayo, basados respectivamente, en la evolución de la parte transmitida de la onda o de la parte reflejada de la misma. 2.21. Procedimiento de transmisión En este procedimiento se evalúa la parte del ultrasonido que ha sido transmitido a través de la pieza que se ensaya. A un lado de la pieza se aplica un emisor de sonido y al otro lado, un receptor. En presencia de un defecto, la intensidad sonora en el receptor disminuye a causa de la reflexión parcial o se hace nula en caso de reflexión total (Fig. 25). Lo mismo da que se emplee sonido continuo o impulsos de sonido para el ensayo, pues el emisor y el receptor eléctricamente están separados entre sí. En este ensayo no se puede determinar la profundidad a la que está localizado el defecto de la pieza. Existen dos zonas de transmisión en el recorrido del sonido Dado que se utilizan dos palpadores, existen dos zonas de transmisión en el recorrido del sonido ("acoplamiento") que influyen sobre la intensidad de sonido en el receptor ( la zona de transición del emisor a la pieza objeto y la de la pieza en el receptor). Así mismo es necesario una exacta alineación geométrica entre el emisor y el receptor.



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Fig. 25: Método por transmisión (esquema)



25

2.22. Procedimiento de pulso-eco Este procedimiento que se designa también como procedimiento de pulsos o impulsos reflejados, utiliza la porción reflejada del sonido para la evaluación de defectos. El oscilador piezoeléctrico funciona a la vez como emisor y como receptor. Como la energía recibida es mucho más débil que la emitida, aquí no puede operarse sobre la base sonido continuo , empleándose exclusivamente impulsos de sonido. Un impulso eléctrico de cortísima duración genera una análoga onda ultrasónica; inmediatamente después, mientras aún se está propagando la onda, el mismo oscilador esta listo para la recepción. La onda sonora penetra en el material, hasta que, como resultado de una superficie límite, tiene lugar una reflexión parcial o total. Si la superficie reflectante se encuentra perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda sonora, ésta es reflejada en su primitiva dirección y al cabo de un tiempo determinado, que depende de la velocidad del sonido en el material objeto de ensayo y de la distancia que existe entre el oscilador y la superficie reflectante, llega de vuelta al oscilador, siendo reconvertida en un impulso eléctrico. Ahora bien, no toda la energía que regresa es reconvertida en energía eléctrica, sino que en la interfaz entre el palpador y la superficie de la pieza tiene lugar de nuevo una reflexión parcial ; una parte menor del sonido atraviesa por segunda vez a pieza, y así sucesivamente. De este modo se origina una sucesión de ecos (Fig. 26).

Fig. 26: Formación de ecos múltiples (esquema)



26

Debe tenerse presente además que no solamente el lado posterior, sino cualquier otro reflector (defecto) determina ecos múltiples (Fig. 27). Puesto que se puede medir el tiempo de recorrido y se conoce la velocidad del sonido de la mayor parte de los materiales, este método permite establecer la distancia existente entre el oscilador y la superficie refractante, o dicho de otro modo, determinar la posición del reflector (Fig. 28) . Por esto es que se emplea este procedimiento en la mayoría de los casos. Agregase a ello que no hay más que una sola superficie de acoplamiento ( que es atravesada en el viaje de ida y de vuelta) entre el oscilador y la pieza, por lo que resulta mucho más sencillo mantener constante el acoplamiento.

Fig. 27: Ecos múltiples causado por el eco de fondo y un defecto (esquema)



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2.23. Otros procedimientos de ensayo Mencionaremos aquí para redondear el cuadro, pero sin entrar en detalles, otros dos procedimientos de ensayo que no se pueden realizar con los equipos ordinarios de impulsos- ecos; el procedimiento de resonancia y el de modulación de frecuencias.

Fig. 28: Método de pulso- eco (esquema)



28

2.3. PALPADORES 2.31 Propiedades Todos los palpadores utilizados en el ensayo de ultrasonido, no destructivo de materiales, operan sobre la base del efecto piezoeléctrico. El transductor, muchas veces designado genéricamente pero equivocadamente como cuarzo- recibe un corto impulso eléctrico. La oscilación del cristal decae lentamente en su propia frecuencia de resonancia como ocurre en el caso de una campana tañida brevemente (Fig.29). Esta frecuencia propia surge para la oscilación fundamental, de la ecuación :

0f = d

C2

(12)

donde c : frecuencia natura f0 : velocidad del sonido en el material del transductor d :espesor del cristal.

Fig. 29: Arriba: Vibración de un cristal débilmente atenuado y de otro fuertemente atenuado

Abajo: La misma señal sobre la pantalla del TRC después de rectificada y filtrada. Ahora bien, como en el procedimiento de impulso-eco, el cristal, eventualmente debe, tras un intervalo extremadamente corto, funcionar otra vez como receptor, es preciso obtener en el menor tiempo posible la atenuación de la oscilaciones inductivas. Pero esta atenuación no deberá ser demasiado fuerte tal que reduzca pronunciadamente la sensibilidad del palpado. Desafortunadamente el requisito de alta sensibilidad de respuesta y, al mismo tiempo, pulsos estrechos dando alta resolución se oponen mutuamente. El término resolución designa la capacidad de respuesta del palpador, para dar indicaciones separadas de dos discontinuidades muy próximos entre sí, en forma claramente separados en la pantalla del osciloscopio. Además esto se distingue entre resolución próxima y resolución lejana. Estas expresiones se refieren a la distancia desde el transmisor de pulsos (oscilador) y pueden ser diferentes.



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Con un oscilador débilmente atenuado se obtiene una alta potencia y sensibilidad pero, a causa de lo ancho de los impulsos un menor grado de resolución.

Con un oscilador fuertemente atenuándose obtiene una alta resolución (pulsos angostos) y potencia y sensibilidad decreciente

El poder de resolución también depende del material del transductor. Los esfuerzos de los constructores de los palpadores tienden hacia un compromiso lo más ventajoso entre otros factores condicionantes. En parte hay palpadores construidos especialmente o para alta potencia o para alta resolución . Para transmitir una cantidad suficiente de energía sonora a la pieza que se ensaya, es necesario que el transductor genere unas pocas vibraciones de alta frecuencia. Sin embargo, oscilaciones de bajas frecuencias insumen más tiempo que aquellos palpadores de alta frecuencia ( por Ej. , a 1 MHz, un micro-segundo ;a 10 MHz , 0,1 micro-segundo ) . 2.32. Campo sónico El área influenciada por las vibraciones transmitidas por el palpador se conoce como campo sónico. Este es muy importante para la evaluación del tamaño de defectos ; por ello, es necesario explicar brevemente algunos términos especiales que conciernen al campo sónico y comportamiento de la presión acústica en él. Cumpliendo con los principios físicos, el cristal transmite las ondas ultrasónicas únicamente en sentido perpendicular a las superficies a las que se aplican cargas eléctricas; esto ocurre, aproximadamente, en forma de un haz de rayos paralelos, con una sección transversal correspondiente al diámetro del transductor para la primera parte de la propagación. A una cierta distancia del oscilador, el haz se abre en forma de cono. Esta característica se muestra en la figura 30.

Fig. 30: Campo ultrasónico de un transductor.

El área de rayos ultrasónicos paralelos se llama campo cercano. El área de rayos que se abren cónicamente se llama campo lejano



30

La distancia a la cual el campo cercano pasa sobre el campo lejano es llamada "rango del campo cercano" o "longitud del campo cercano". Esto depende del diámetro del cristal y de la longitud de onda en el material de la pieza de trabajo y puede ser calculado como sigue:

cfDDl o ∗

∗==

∗ 44

22

λ (13)

El significado de los símbolos en la fórmula son: I0: longitud del campo cercano; D: diámetro del cristal (diámetro efectivo, normalmente un pequeño porcentaje menos que el real); ë : longitud de onda; f: frecuencia; c: velocidad del sonido. Como la longitud del campo cercano puede ser determinado experimentalmente, las restantes magnitudes son derivadas de esto. De esta forma, el diámetro efectivo del cristal se calcula como: La presión sónica en el campo cercano, y por consiguiente ,la altura del eco causado por un defecto en esta zona, depende mucho de la ubicación del mismo dentro del haz. Las razones de este fenómeno son las interferencias en el campo cercano. La estimación del tamaño del defecto es prácticamente imposible si éste se encuentra en esa zona (Fig. 31).

Fig. 31.

λ•= 0lD (14)



31

En el campo lejano el haz ultrasónico se abre cónicamente. En todo momento, la presión sónica máxima se encuentra en el eje del sistema sobre el eje del transductor, y decrece proporcionalmente con la distancia desde el cristal. (Fig.30). Desviándose desde el eje hacia los laterales, hay también una disminución de la presión sónica. Esta se considera como 100% sobre el eje de simetría, disminuyendo a medida que nos desviamos hacia los lados. Si marcáramos todos los puntos, en cualquier dirección y a cualquier distancia del cristal, en los cuales la presión sónica alcance el 10 % del valor en el eje, se obtendría el área superficial de un cono. El ángulo de apertura de este cono se llama "ángulo de divergencia del haz". El cálculo del mismo puede hacerse como sigue:

Dsen

λθ ∗= 08,110 (15)

010 54,0 I

senλθ ∗= (16)

Estas fórmulas son válidas para transductores circulares. Para aquellos que sean rectangulares las relaciones son algo más complicadas: en estos la longitud del campo cercano se calcula como sigue:

( )

−∗+

∗= b

abal

21*1 22

0

λπ (17)

donde a : lado mas corto del rectángulo. b : lado más largo del rectángulo λ : longitud de onda.

La sección transversal del campo ultrasónico ya no es circular; el ángulo mayor del haz lo causa el lado más corto del rectángulo, y viceversa ( Fig.32) . Aquí también luego de haber determinado empíricamente la longitud del campo cercano, se puede calcular el diámetro efectivo sustituto del transductor.

Fig. 32: Haz ultrasónico de un transductor rectangular (esquema)

2.33. Descripción de palpadores ultrasónicos 2.331. De incidencia normal



32

Para un haz de incidencia normal,( la transmisión del sonido es perpendicular a la superficie de la pieza) son válidas las leyes del capítulo 1.421. 2.332. El palpador normal El nombre de "Palpador normal", deriva de la dirección en que las ondas ultrasónicas viajan en la pieza ( la dirección perpendicular a la superficie de un objeto se conoce como la dirección "normal" ). El cristal del transductor tiene metalizadas las caras para poder aplicarle pulsos eléctricos. Una de esas caras se pega al cuerpo amortiguador, la otra puede bien ser acoplada directamente a la pieza a ensayar (cristal sin protección), o estar cubierta con una capa de material plástico o cerámico. Las características del tamaño del palpador dependen de las propiedades de amortiguamiento o cuerpo de atenuación. Los alambres de conexión, soldados a las caras plateadas del cristal, suben pasando junto al cuerpo amortiguador hacia una pequeña bobina que realiza la adaptación eléctrica entre el oscilador y el emisor de impulsos. Dos alambres adicionales van a la ficha en que se inserta el cable. Los palpadores para la técnica por inmersión tienen en lugar de ficha, un enchufe directo, fijamente fundido, para el cable. La unidad compuesta por el oscilador, el cuerpo amortiguador y la bobina es también llamada "Inserto" o "Nob", y va alojada en una carcaza metálica puesta a tierra (Fig.33).

Fig. 33: Palpador normal con suela protectora (esquema)

2.3312. Palpadores de doble cristal Los palpadores de doble cristal combinan dos sistemas de palpadores completos, en una sola carcaza. Una barrera acústica entre los dos sistemas evita la transmisión de uno a otro dentro del palpador, mientras que uno actúa como emisor, y el otro como receptor. Por esto, el sistema se puede asumir como una combinación del método de transmisión y reflexión. Entre los cristales y la superficie de la pieza que se ensaya hay lo que se llaman "líneas de retardo" construidos de plástico (plexiglás) o, para superficies calientes, de material cerámico resistente al calor, lo que hace que el pulso transmisor no coincida con el punto cero de la pantalla, correspondiendo a la superficie de la pieza como se conoce con el uso de palpador normal. El pulso transmisor aparece a la izquierda del punto cero y, cuando se lleva a cabo la calibración, esta señal queda afuera del campo de observación. La propagación ultrasónica como muestra la figura 34 explica el principio:



33

Fig.34: Palpador con doble cristal (esquema)

La onda ultrasónica generada por el transmisor T primero atraviesa el bloque plástico y llega a la superficie límite entre éste y la pieza, donde una parte del haz es reflejado hacia el cristal transmisor. Como éste no esta conectado con la sección receptora del equipo, la onda sonora reflejada no es indicada ( esto sucedería si el palpador fuera normal). La otra parte de la onda que fue transmitida dentro de la pieza que se ensaya, viaja hasta la superficie trasera donde se refleja y vuelve a la superficie donde , nuevamente una parte es transmitida hacia el bloque plástico del receptor y llegando al transductor R, causa en él el primer eco de fondo. Una parte de la onda ha sido reflejada en la superficie forzándola a recorrer la pieza por segunda vez antes de entrar en el bloque plástico y generar así el segundo eco de fondo. El mismo fenómeno sucede varias veces, lo que causa un tercer, cuarto, etc. ecos de fondo. Calculando desde el comienzo del pulso de emisión, los ecos recibidos aparecerán después de haber recorrido las siguientes distancias: 2s + 2d; 2s + 4d; 2s + 6d; 2s + 8d; etc. Los intervalos de los ecos múltiples sucesivos corresponden al espesor de la pieza, mientras que la distancia entre el pulso emisión y el primer eco de fondo es mayor en 2s correspondiendo al espesor del recorrido de retardo ( bloque plástico). Como, sin embargo, la pantalla del TRC no indica la distancia real sino el tiempo de recorrido correspondiente, es necesario convertir la distancia en tiempo de acuerdo a la fórmula:

(18)

donde c : velocidad del sonido; a: longitud de onda; t: tiempo de recorrido. Por esto, las verdaderas distancias sobre la pantalla son las siguientes: 2s + 2d ; 2s + 4d ; 2s + 6d cs cd cs cd cs cd donde s: espesor de la línea de retardo; d: espesor de la pieza de ensayo; cs: velocidad de retardo de la línea de retardo; cd: velocidad del sonido en el material de la pieza. De una consideración más detenida surge que debe, además, tenerse en cuenta que las partes de la onda sónica que llegan al oscilador emisor tanto como las que llegan al oscilador receptor, son reflejadas nuevamente, y, en el caso del cristal transmisor, penetran en la pieza con un retraso de tiempo de2s/cs, y son también recibidas con ese retraso. En el caso del receptor las ondas pueden ser reflejadas en la superficie límite entre el bloque de retardo y la superficie de la pieza, y también recibido nuevamente después del mismo retraso de tiempo. Principalmente lo mismo es válido para los correspondientes ecos múltiples. Además debería ser considerado que en realidad las distancias s y d no son las transversales del bloque

ca

tta

c == ;



34

de plástico y de la pieza, sino levemente mas largas que estas debido a los ángulos algo oblicuos del camino sónico. Estas diferencias deben ser consideradas para la medición exacta, por ejemplo la medición de espesores de pared.

Fig. 35: Ecos múltiples de un palpador de doble cristal La elección correcta del material del trayecto previo hace posible la atenuación de esas indicaciones de reflexiones de ecos no buscadas de tal forma que no interfieran sobre la pantalla; sin embargo, puede aparecer, cerca del punto cero (superficie de la pieza) y, a la distancia 2s desde el eco de emisión (Fig. 35), un pequeño "eco de interferencia" causado por una deficiente barrera acústica entre el transmisor y el receptor, que se origina a través del acoplante. Este eco puede ser suprimido , en muchos casos, por un adecuado ajuste del equipo. Cuando los dos transductores del palpador de doble cristal son levemente inclinados uno sobre el otro (Fig. 36), la trayectoria de los haces ultrasónicos se solapan dentro de la pieza de ensayo. El palpador de doble cristal tiene la más alta sensibilidad en el punto de intersección de los ejes de los haces (Fig. 37). Se produce una zona muerta debido al espesor finito de la barrera acústica entre el transmisor y el receptor. Las ventajas que ofrecen los palpadores de doble cristal son que prácticamente eliminan la zona muerta. Se pueden utilizar cristales más adecuados para las funciones a cumplir. Por ejemplo se puede usar titanato de bario como emisor y sulfato de litio como receptor.

Fig. 36: Propagación ultrasónica de un palpador de doble cristal con ángulo grande y uno

pequeño



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Fig. 37: Influencia de los ángulos sobre la sensibilidad en palpadores de doble cristal (esquema)

Los palpadores de doble cristal tienen, debido a su estructura general y a la presencia de los trayectos de retardo, teóricamente una más baja sensibilidad que los palpadores normales, pero una resolución a corta distancia incomparablemente mejor debido a que no aparece el eco de emisión sobre la pantalla, en un equipo ajustado correctamente. De esta forma , es posible detectar posibles defectos a pocos milímetros por debajo de la superficie. Otro campo de aplicación de estos palpadores es la medición de espesores. Se debe señalar que defectos con direccionalidad preferencial, por ejemplo finas líneas de inclusiones en productos laminados semi-terminados, mostrarán diferentes grados de reflexión dependiendo de la posición de la barrera acústica con respecto a la dirección del defecto . Comúnmente, los mejores resultados se obtienen cuando ambas direcciones son paralelas. 2.3313. Palpadores normales de ondas transversales (corte - Y) La construcción de estos palpadores es igual a la de los palpadores normales de ondas longitudinales. Solamente, el transductor en sí mismo, tiene una orientación cristalográfica diferente y, por ello, genera vibraciones cortantes (ondas cortantes) (Fig. 24).El procedimiento de transmisión de ondas de corte desde el transductor al interior de la pieza es un problema difícil debido a que el líquido acoplante no se puede usar porque éstos son incapaces de transmitir ondas de corte (ver capítulo 1.41). El acople puede llevarse a cabo utilizando acoplantes rígidos (por ejemplo componentes de resinas epoxi), por presión firme del palpador sobre la superficie usando una goma protectora o lamina plástica debajo del cristal, o por acople del transductor sobre la pieza con el agregado de cera de abejas. Por estas razones, los palpadores con cristales con corte Y son casi exclusivamente usados en laboratorios de ensayos, por ejemplo para la determinación de constantes elásticas de los materiales. 2.332. Incidencia oblicua del ultrasonido. Ya se explicó en el capítulo 1.422, que una onda que incide oblicuamente es capaz de generar cuatro nuevas ondas con diferentes direcciones y velocidades las cuales pueden ser calculadas con la ley de refracción (IX). 2.3321. Palpador angular El palpador angular consiste esencialmente de un cristal cementado a una cuña de plexiglás. De esta forma se consigue una incidencia oblicua sobre la superficie de la pieza. Los haces reflejados vuelven a la cuña plástica y, o son absorbidos por un atenuador convirtiéndose en calor, o se evita el retorno al transductor con una adecuada forma de la cuña para evitar causar indicaciones de ecos perturbadores. Dentro de la pieza se propagarán la onda longitudinal refractada y, adicionalmente, la nueva onda transversal generada. De acuerdo con la ley de refracción (IX) estos dos tipos de ondas tendrán también, debido a sus diferentes velocidades, diferentes direcciones.



36

Fig. 38: Palpador angular (esquema)

No puede determinarse en la pantalla del equipo si un eco tiene origen en una onda transversal o una longitudinal. Por ello una indicación sobre la pantalla puede tener distintas orígenes debido a los distintos ángulos y velocidades de los tipos de ondas, y, no sería posible la localización segura de un defecto detectado. Una solución a este problema está dado por el hecho de que la onda longitudinal tiene, debido a su mayor velocidad, un ángulo de refracción mayor al de la onda transversal (Fig. 39 a). Incrementando gradualmente el ángulo de incidencia, se llegará a un punto en el cual la onda longitudinal no penetrará el medio sino que se propagará a lo largo de la superficie, mientras que la transversal permanecerá aún en la pieza de ensayo (Fig. 3 b). En este punto, el ángulo entre la dirección de la onda transversal y la perpendicular a la superficie será de 33,2º en el acero. Un incremento adicional del ángulo de incidencia eliminará la onda longitudinal ( no existe sen ãl > 1), por lo que puede ser calculado. Ahora la única onda que existe en el medio es la transversal (Fig. 39 c). Sí se continúa incrementando el ángulo de incidencia, también la onda transversal se propagará a través de la superficie del medio (onda superficial, Fig., 39 d).

Fig. 39: dirección de propagación de onda como función del ángulo de incidencia.

Los palpadores angulares comerciales utilizan sólo el rango donde existe onda transversal ,exclusivamente, en el medio de ensayo, el cual es normalmente acero. La onda ultrasónica real es emitida hacia el medio en la forma de un haz de rayos donde, la línea geométrica que se ha



37

considerado hasta ahora, corresponde al eje de este haz. Las mismas relaciones que fueron consideradas con palpadores normales como campo cercano, campo lejano y ángulo de divergencia , son válidas para los palpadores angulares. El eje del haz donde existe la máxima presión sónica se marca en el lateral de los palpadores angulares como "punto de emisión" y sirve como punto de referencia para cálculos y medidas. Además de los datos relativos a ángulo y punto de emisión y su línea de unión, respectivamente, la llamada "línea de emisión", los palpadores angulares indican adicionalmente con una cifra, que siempre es la misma para un ángulo particular y representa el valor 2 * tg ãl. Esto es necesario en cálculos que serán descriptos más adelante. Cuando se usen palpadores angulares, deberán tenerse en cuenta los siguientes hechos fundamentales: El ángulo marcado y de allí también el factor 2 * tg ãl son sólo válidos para materiales con una velocidad sónica de las ondas transversales de 3.230 m/s. Estos valores no pueden ser usados para materiales con velocidades de ondas de corte diferentes pero pueden ser calculadas por medio de la ley de refracción. b)La indicación en la pantalla del TRC es segura sólo cuando el ángulo ãt es mayor que 33,2º, debido a que la onda longitudinal será eliminada solamente con ángulos mayores que este. También esto es sólo válido para acero, por lo que para otros materiales con diferentes relaciones entre las velocidades de la onda longitudinal y la transversal se deberán chequear por medio de la ley de refracción. En la práctica son comúnmente usados los ángulos de 35º , 45º , 60º , 70º , 80º y 90º (palpador de onda superficial). Ángulos menores a 35º son ,debido a la ambigüedad de las indicaciones, sólo usados en la solución de problemas especiales. La indicación en la pantalla del TRC será bien definida solamente en presencia de un solo tipo de onda la cual es siempre, de acuerdo con la ley de refracción, la mas lenta (onda transversal). Es imposible el caso inverso (onda longitudinal más lenta que la transversal). d) Los palpadores angulares emiten ondas longitudinales. Las ondas transversales, son consecuencia de la refracción que se produce en la superficie límite entre la cuña de plexiglás del palpador y la pieza de trabajo. De la misma forma que los palpadores normales, los angulares tienen una carcaza puesta a tierra y una bobina de adaptación, en cambio, muchas veces, no poseen un cuerpo de amortiguación debido a que la cuña de plexiglás, cementada al cristal, tiene una atenuación suficientemente alta. El cuerpo amortiguador ilustrado en la Fig. 38 sirve para atenuar las partes de ondas reflejadas en la superficie límite. Un parámetro importante para la aplicación de palpadores angulares es el llamado "distancia de paso" o simplemente "paso1". Cuando un palpador angular se acopla a una chapa de espesor "d", la onda ultrasónica será reflejada totalmente en la superficie inferior de la chapa y regresará a la superficie superior a una cierta distancia. A la distancia entre el punto de emisión de haz en el palpador y el punto recién descrito se lo llama paso. Esto se muestra en la Fig. 40a y se puede calcular por medio de la fórmula :

ps = 2 * tg ãt * d (19)

Donde: ps: paso ; ã:ángulo del haz sónico ; d : espesor de chapa. Para simplificar el cálculo del paso, el factor 2 * tgtã muchas veces es grabado sobre la carcaza del palpador. El borde de la pieza dará indicaciones con altura máxima cuando la distancia, entre el borde y el punto de emisión del haz, es un múltiplo entero del medio paso (p/2). Esto sucede alternativamente (Fig. 40b) en el borde superior e inferior de la chapa. La Fig. 40c muestra el principio de reflexión en un borde .



38

Fig. 40 a: Definición de paso

b: Ecos obtenidos alternativamente del borde inferior y superior c: Reflexión alrededor de un borde.

Si antes de la reflexión en la cara opuesta de la pieza de ensayo la onda ultrasónica alcanza directamente a un defecto , la llamada "distancia proyectada" (p) se define como sigue (Fig.41):

p = s * sen ãt (20)

Donde "s" es la distancia (en la dirección del haz) entre la superficie y el reflector “p” la distancia proyectada sobre la horizontal desde el punto de emisión del palpador al defecto.

Fig. 41: Definición de distancia proyectada

t0 = s . cos γγ t (cuando la discontinuidad está antes del medio paso)

t1 = 2 . d – s . cos γγ t (cuando la discontinuidad está más allá del medio paso) Estas relaciones son muy importantes para la localización de defectos en una pieza. Algunas veces es más fácil, para el operador, medir la distancia desde el frente del palpador en lugar de hacerlo desde el punto de salida del haz. En esos casos uno esta hablando de la "distancia proyectada acortada". Las relaciones que se han dado más arriba solamente son válidas cuando el ensayo se realiza sobre superficies planas. Si el ensayo se debiera realizar sobre un objeto curvo, el paso dependerá, adicionalmente, del radio de curvatura(R) (Fig. 42). La fórmula para su cálculo es la siguiente:



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φ

φγ

cos)1(1

)2

1(

∗−−

∗−=

Rd

senRtg t (21)

donde "φ" es el ángulo en el centro de curvatura correspondiente al paso. Como esta ecuación no puede ser resuelta para "φ", el cálculo se lleva a cabo para un arreglo plano y la curvatura será tenida en cuenta por el factor de corrección k como se muestra a continuación:

kdtgp ts ∗∗∗= γ2 (22)

El factor de corrección k depende de la relación entre el espesor de pared d y el diámetro D o del radio R y su valor se puede sacar de la figura 43.

Fig. 42. Distancia de en una superficie curva con reflexión causada por la superficie interna.

Superficie plana para comparación.

Fig. 43. Factor de corrección “k” como una función de la relación del espesor de pared “d” al

diámetro “D” ó al radio de curvatura “R” El paso puede ser más fácilmente determinado cuando no hay reflexión en la superficie interna o cuando el material es sólido (Fig. 44).



40

Fig. 44: Distancia de paso sobre un objeto curvo sin reflexión interna.

Las siguientes fórmulas son válidas para estos casos:

)24(ª90

º90

)23)(ª90(2

t

t

rpγ

π

γδ−

∗=

−∗=

Además, se puede deducir de la geometría de la propagación de un haz ultrasónico en un objeto curvado, cuando la parte central de la pieza no puede ser alcanzada ni aún usando el palpador de menor ángulo ( 35º ) que se usa comúnmente, la siguiente relación: Ver la trayectoria del sonido en la Fig. 45

)(251 tsenRd γ−=

o relacionándolo con el diámetro D = 2R

)(262

1 tsenDd γ−

= Para un ángulo de 35º el valor de d/D =0,21 Esto significa que, en ensayo de tubos, estos pueden ser inspeccionados completamente siempre que la relación de espesor de pared a diámetro exterior sea "menor o igual a 0,2 ".

Fig. 45: Espesor de pared máximo “d” alcanzado con el ángulo γt

2.3322. Palpadores para ensayo de tubos El palpador para ensayo de tubos no es otra cosa que un arreglo de dos palpadores angulares, en paralelo, transmitiendo en direcciones opuestas (a las agujas del reloj y en dirección contraria a las agujas del reloj). Sirve para detectar fisuras internas y externas en tubos. Cada transductor en este par de palpadores angulares, recibe el pulso transmitido por el otro como un eco de



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referencia. Un defecto radial será indicado dos veces, como se puede ver en la figura 46. Esta indicación desaparecerá cuando se halle diametralmente opuesto al palpador. Un defecto aparecerá solamente una vez , ya sea a la derecha o a la izquierda del eco de referencia, según el palpador que lo indique. Hoy en día, este principio de transmisión de dos haces opuestos en una barra o tubo, es aplicado casi exclusivamente en plantas de ensayos automatizados.

1) Eco de emisión 2) Eco del defecto indicado por el palpador “A” 3) Eco de referencia. 4) Eco del defecto indicado por el palpador “B”

X: Localización aparente del eco de referencia

Fig. 46: Propagación ultrasónica y pantalla del TRC. del ensayo de un tubo con dos palpadores. 2.3323. Palpadores de ondas Lamb Cuando una onda ultrasónica incide oblicuamente en una chapa metálica puede, puede originar en ciertas condiciones (condiciones de excitación), ondas Lamb o también llamadas ondas de chapa. Esto significa que la chapa vibrará en forma similar a la resonancia. La onda Lamb se puede dar como una onda de dilatación o como una onda de flexión (ver Fig. 13). La generación de estas ondas depende , entre otros factores, de la frecuencia, el ángulo de incidencia, de la velocidad del sonido, y del espesor del material. En la práctica, la generación se puede llevar a cabo variando continuamente el ángulo de incidencia hasta que, con ciertos ángulos, se producirán las ondas. De allí que, el espesor del material deberá ser del orden de la longitud de onda. En este principio se basan los palpadores de ondas de Lamb, los que por lo tanto no son otra cosa que palpadores angulares con ángulos con variación continua. En la Fig. 47 se muestra una de las más comunes construcciones entre muchas otras.



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Fig. 47: Palpadores con ángulos variables (Palpadores de ondas Lamb). Esquema.

La capacidad de indicación de los palpadores de ondas de Lamb radica en que estas ondas son reflejadas sobre sí mismas cuando ya no son dadas las condiciones de excitación, por ejemplo, cuando el espesor de la chapa varía por defectos de laminación (exfoliaciones). Esto es también la razón para la alta sensibilidad de los ensayos con estas ondas. De otra manera la sensibilidad de las indicaciones también dependen del tipo y orientación del defecto con respecto al tipo de onda Lamb ; así, por ejemplo, las laminaciones son generalmente indicadas mucho mejor por una onda de flexión que por una de dilatación, cuando aquellas están situada en la fibra neutra de la pieza la que no está en movimiento en el caso de la onda de dilatación. El principal rango de aplicación de los palpadores de ondas Lamb está en la detección de laminaciones e inhomogeneidades en hojas y placas metálicas que no permitan un ensayo con palpadores normales o de doble cristal debido a sus pequeños espesores, o cuando es necesaria una inspección completa en el total del volumen. Comúnmente se ensayan espesores de pared hasta 6 mm con estos tipos de ondas. El límite superior para el su uso esta entre 12 a 16 mm de espesores de pared y depende además de las propiedades del material y de la frecuencia usada. Las ondas Lamb frecuentemente muestran una forma característica como la indicada en la Fig. 48, lo que facilita su reconocimiento.

Fig. 48: eco típico de una onda Lamb.

2.324. Palpador de ondas superficiales El palpador de ondas superficiales es un palpador con un ángulo de penetración de 90º entre el eje del haz y la dirección perpendicular (Fig. 38 d). Aquí no se puede definir el punto de emisión del haz sobre el palpador. Los ensayos ultrasónicos con ondas superficiales son poco frecuentes en comparación con otros tipos de ondas. El rango de aplicación es limitado, a pesar de la alta sensibilidad que muestran estas ondas en superficies laminadas, de algunas clases: la principal aplicación es la detección de finísimas fisuras e inhomogeneidades en superficies rectificadas o pulidas. Como las ondas superficiales penetran solamente a una profundidad de la mitad de la longitud de onda (ver Fig. 14), fisuras a mayor profundidad no serán detectadas. De otra manera, las ondas superficiales son capaces de seguir superficies curvas si el radio de curvatura es suficientemente grande con respecto a la longitud de onda.



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Se puede verificar muy fácilmente si una indicación ha sido causada por una onda superficial : tocando la superficie de la pieza con un dedo aceitado entre el palpador y la localización del defecto hará que la amplitud del eco disminuya (debido a la atenuación), no así si la responsable de la indicación es otro tipo de onda (algunas ondas Lamb también pueden mostrar este comportamiento).

2.4. EQUIPOS DE ENSAYO ULTRASONICO 2.41. Instrumental básico El principio de operación de un equipo de ensayo ultrasónico se ilustra en la Fig. 49.

Fig.49: Esquema de un equipo de U.S.

Un generador de pulsos induce al transmisor de pulsos el cual excita al cristal del transductor. Este corto pulso eléctrico normalmente tiene un voltaje pico de algunos cientos de volts, en algunos viejos transmisores de tubos, por encima de los cinco kilovolt. Estos altos voltajes son, sin embargo, completamente inocuos debido a su extremadamente corta duración. El mismo generador de pulsos también activa (dispara) la base de tiempos (generador de barrido) horizontal en el osciloscopio de rayos catódicos (TRC) por medio de un circuito de tiempo de retardo. La deflexión vertical en las placas del TRC se alimentan con un amplificador y un rectificador de pulsos (ecos) recibidos desde la pieza. La longitud de medición (rango) que se observa en la pantalla se puede variar alterando la velocidad de la base de tiempo. Se produce una deflexión vertical cada vez que el transductor está \1sujeto a una tensión eléctrica (pulso transmitido o recibido). Cuando se opera por el método de transmisión o con palpadores de doble cristal, el transmisor de salida esta separado del receptor (entrada) por medio de un interruptor. En definitiva los transductores de transmisión y recepción están conectados separadamente por cables y enchufes. Un circuito de protección, en el caso del método de pulso-eco, asegura que los altos voltajes en el transmisor no dañen al receptor. Hoy en día es habitual la construcción de modernos equipos ultrasónicos modulares; se construye instrumental para ensayo manual para ser usados con unidades cada vez mas livianos, compactos y pequeños. Junto con los sistemas modulares hay muchas otras posibilidades para la combinación; de esta forma, por ejemplo, varios tamaños de pantallas pueden ser combinadas con distintos métodos de deflexión, supresión del llamado "césped" , etc. Módulos adicionales auxiliares, tales como diferentes tipos de monitores, circuitos especiales equivalentes para operar



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con múltiples palpadores, decodificadores, interruptores electrónicos, transmisores y receptores preamplificados se pueden integrar en este sistema. De esta forma se puede elegir la más económica y efectiva combinación para solucionar el problema del cliente. Seguidamente se describirán los controles más importantes de los equipos ultrasónicos para operar con el método de pulso-eco o transmisión. 2.411. Intensidad de pulsos. La intensidad del pulso eléctrico para hacer vibrar el cristal del transductor se puede variar continua o escalonadamente con este control. Se recomienda baja intensidad debido a que así se obtiene una óptima resolución (pulsos angostos). Se elegirán altas intensidades de pulsos cuando exista altos niveles de ruidos eléctricos ( para incrementar la relación señal- ruido), o cuando el material presente una marcada atenuación de la onda causada por absorción o dispersión. En este caso la resolución será algo menor: con una alta intensidad le toma más tiempo al cristal atenuarse y los pulsos mostrados en la pantalla del TRC serán más anchos que con baja intensidad. Por lo expuesto se disminuirá, en todo lo posible y según el problema particular del ensayo , para obtener la mejor resolución. 2.412. Ganancia Esta perilla de control varia la altura de los ecos de manera que permite mantener la relación de amplitud constante. La cantidad de ganancia se expresa en dB (decibeles), ver el punto 1.443. Una variación de ganancia de 6 dB significa una disminución a la mitad o un aumento al doble independientemente de la altura del eco real (Fig. 50).

Fig. 50:Ecos múltiples. La Fig. de la derecha muestra la misma secuencia de ecos con una reducción en la ganancia de 6 dB

2.413. Supresión 2.4131. Supresión no lineal La supresión no lineal permite también una variación de la amplitud de los ecos pero, en este caso, la diferencia de amplitud ( y no la relación de amplitud) permanece constante. Accionando el regulador de supresión en sentido horario, reducirá la altura de todos los ecos en la misma cantidad expresada en porcentaje de la altura de la pantalla. La verdadera relación de alturas entre los ecos no se mostrará más, pero muchos de los pequeños, indeseados, no importantes y algunas indicaciones que confunden serán suprimidas facilitando la interpretación, particularmente en ensayos manuales. Siempre que sea requerida una clasificación de defectos por medio de una descripción de la amplitud de los ecos se deberá, incondicionalmente, eliminarse la supresión no lineal o se llegará a una interpretación equivocada. Como muestra la Fig. 51, un eco justamente pasando el umbral inicial causa una pequeña deflexión, concordando con el eco de emisión en la línea horizontal.



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Fig.51:Ecos múltiples. La figura de la derecha muestra la misma secuencia de ecos reducidos un 50% de la ATP. por supresión.

2.4132 Supresión lineal Se puede lograr una supresión de las indicaciones pequeñas, sin alterar la altura de los ecos, por medio de la regulación de umbral lineal ilustrada en la Fig. 52.

Fig.52:Ecos múltiples. La Fig. de la derecha muestra la misma secuencia de ecos con una supresión lineal de aproximadamente 20% de la ATP.

El método de supresión lineal se usa comúnmente en plantas con ensayos automatizados y en equipos de laboratorio. Los ecos con amplitudes que excedan al umbral se mantendrán sin modificación, mientras que aquellos que estén por debajo del mismo, no aparecerán en la pantalla. Como se ve, un eco que apenas alcance el umbral será mostrado en toda su amplitud original, este modo de supresión no es lo mejor en los ensayos manuales porque muestra al operador, que observa la pantalla ,efectos más confusos que la que muestra la supresión no lineal. Sin embargo, la relación real puede ser mostrada, solamente, por el supresor lineal. 2.414 Forma de los ecos La envolvente de los ecos puede ser influenciada por la cantidad de filtrado. Este efecto se muestra en la Fig. 53.

Fig.53: Ecos múltiples. Influencia de un filtrado débil (izq.). y uno fuerte (der.).



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Normalmente se desea lograr una alta resolución, por ejemplo, conseguir pulsos tan angostos como sea posible.. Sin embargo, cuando se opera con grandes longitudes de medida (por ejemplo en el rango de metros)las indicaciones en la pantalla del TRC se hace difícil de evaluar dado que los ecos se vuelven demasiados finos. En tales casos se sacrifica una buena resolución en favor de un mejor reconocimiento por medio de un fuerte filtrado. Así los ecos se vuelven más anchos , brillantes y suaves. Muchas veces la cantidad de filtrado es conectada junto con la longitud de medida (rango). 2.415. Regulador de la longitud de medida. Rango El comando para la regulación de la longitud de medición permite variar la escala de presentación, y así desplegar en el área total de la pantalla, el rango de interés . La calibración se lleva a cabo teniendo en cuenta las siguientes condiciones: a) Método de pulso - eco , esto es el recorrido de ida y vuelta de la onda ultrasónica a través del material. b) La calibración es válida solamente para una velocidad de onda definida, normalmente la velocidad de la onda longitudinal en acero, esto es 5.920 m/s (ver DIN 54120). c) La visualización a través del total de la pantalla, esto es entre la línea izquierda y derecha del reticulado. 2.416. Regulador del punto cero y desplazamiento El comando de regulador del cero permite un corrimiento hacia la izquierda de lo que se muestra en el total de la pantalla sin cambiar la escala (rango). De esta forma, partes del camino sónico que no interese (por ejemplo el recorrido en el agua entre el palpador y la superficie de la pieza en un ensayo por la técnica de inmersión, que se refiere en la sección 3.5) puede ser corrida hacia la izquierda, fuera de la pantalla, y la parte de interés ser mostrada en el total de la pantalla, logrando así un efecto de "lupa de profundidad" (Fig. 54).

1) Eco de emisión 2) Eco de la superficie de entrada 3) Eco del defecto 4) Primer eco de fondo 5) a 7) Segundo a cuarto eco de fondo

Fig. 54:Técnica por inmersión de una pieza. Izq.:indicaciones incluyendo el paso en el agua y

ecos de fondo. Der.: desarrollo del rango de interés en la pantalla. 2.417. Regulador de la velocidad del sonido



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Este regulador no cambia, por supuesto, la velocidad del sonido en el material, por ser esta una constante natural, pero permite al personal de ensayo adecuar el espesor de la pieza leído en el regulador de la longitud de medición o rango, al espesor efectivo del material de diferente velocidad de sonido. Para una recalibración, se ajusta previamente el regulador de la longitud de medición o regulador de rango al espesor de la pieza y con ayuda de los reguladores de desplazamiento y de velocidad de sonido, se ensancha la distancia entre dos ecos de fondo (el primero y el segundo , por ejemplo) sobre la pantalla del osciloscopio. Esto no es difícil de realizar ya que el regulador de velocidad de sonido tiene los mismos efectos que el de rango. 2.418. Lupa de profundidad La lupa de profundidad, comúnmente encontrada en los viejos equipos, permite ensanchar lo que se observa en pantalla para clarificar los detalles (incrementa la precisión de lectura). comúnmente se ensancha dos a cinco veces el valor de la indicación original. Los mismos efectos pueden alcanzarse con el regulador de rango y el de cero, como se muestra en las secciones 2.415 y 2.416. 2.419. Control Distancia - Amplitud En los ensayos ultrasónicos, la amplitud de un eco de una discontinuidad de cierto tamaño, decrece cuando el espesor se incrementa, la compensación para esta "atenuación" consiste en un control electrónico que se agrega a muchas unidades ultrasónicas. Algunos de los nombres más comunes de este control son: Corrección de amplitud en distancia (DAC), Ganancia variable (TCG) o Sensibilidad variable (STC). Este control es muy utilizado cuando se lo complementa con un detector de alarma de fallas o con un sistema de registro.

a)

b) c) d)

Fig. 55:Corrección DAC : a) probeta con reflectores artificiales de igual tamaño. b) altura de los ecos producidas por los reflectores¸ c) curva DAC y activado el control DAC; d) ídem c) pero sin la

curva DAC. 2.42. Monitores Un monitor es un aditamento auxiliar destinado a automatizar parcial o totalmente un ensayo. Asimismo constituye un auxiliar valioso en los ensayos manuales en serie, eliminando la necesidad de que el operador observe constantemente la pantalla. Así el operador podrá atender al correcto posicionamiento y acople del palpador. El rango de operación del monitor está ópticamente indicado en la pantalla por una pequeña deflexión hacia arriba o hacia abajo de la línea horizontal (Fig. 56). La posición y el ancho de este, también llamado "diafragma", puede ser ajustado por medio del regulador correspondiente.



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Fig.56:Diafragma del monitor

El monitor responderá en cuanto un impulso ocurra dentro de este diafragma. Se distinguen diferentes tipos de monitores según las distintos modos de respuesta y señales de salidas. 2.421. Monitor de señales El monitor de señales, también llamado monitor "blanco / negro" o "si/no" ,emite una señal tan pronto como un pulso producido dentro del alcance del diafragma exceda o descienda por debajo de un determinado nivel ajustable (umbral del monitor). Esta señal puede ser eléctrica, óptica (lámpara de señalización), o acústica (bocina o timbre). Cuando hay varios impulsos dentro del alcance del diafragma, el mayor de ellos es el que determina la respuesta del monitor. 2.422. Monitor proporcional El monitor proporcional puede entregar una tensión continua cuya magnitud es proporcional al nivel (altura) de la señal que se encuentre dentro del alcance del diafragma. En caso de darse varios impulsos, el mayor de ellos determina la magnitud de la tensión continua. Normalmente los monitores proporcionales están provistos de un instrumento calibrado en porcentaje de la altura total de la pantalla del TRC. También existen monitores digitales de este tipo. 2.423. Monitor universal El monitor universal es una combinación de monitor de señales y monitor proporcional, con dos salidas separadas (salida de señal y salida proporcional). 2.424. Monitor de tiempo de recorrido Este monitor puede entregar una tensión continua proporcional al tiempo de recorrido de la onda ultrasónica, esto es, proporcional a la distancia entre el pulso de referencia (pulso de emisión, eco de la superficie) y el eco observado. En caso de darse varios impulsos dentro del alcance del diafragma, el de menor tiempo de recorrido ( menor distancia desde el pulso de referencia) determina la magnitud de la tensión continua. Monitores digitales son comúnmente usados para la medición de espesores de paredes. 2.425 Monitor integrador Este monitor permite el control de múltiples ecos o también llamados "ecos montañas". Es similar al ya descrito monitor proporcional pero en éste el voltaje continuo de salida es proporcional al área de los ecos, esto es, al área formada por todos los ecos y la línea horizontal, que se encuentran dentro del alcance del diafragma. De esta forma, el eco de máxima amplitud dentro del diafragma no será \1responsable del voltaje de salida. La desaparición o crecimiento de pequeños ecos junto al eco máximo tiene variaciones constantes del área y el monitor mostrará una variación del valor indicado en oposición al monitor proporcional. La cantidad de área integrada puede ser elegida en porcentaje por medio de un regulador y es indicada por un medidor. Esta provisto también de una salida adicional que indica cuando se excede o desciende por debajo del nivel ajustado.



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2.5. SISTEMAS DE REPRESENTACION Hay tres tipos básicos de representación de pantallas de TRC para ensayos ultrasónicos: 2.51 Representación "Tipo A" (o pantalla Tipo A) Es el más extendido y es el de representación en un tubo de rayos catódicos (TRC) en el que las indicaciones aparecen como deflexiones verticales de la base de tiempo, es decir, en la pantalla se representa el tiempo en la escala horizontal y la amplitud en la escala vertical. La representación tipo A, se discrimina de izquierda a derecha. La altura de los ecos pueden ser comparadas con la altura de un eco proveniente de un reflector de referencia conocido, a fin de tener una referencia del tamaño de la indicación. El método de registro más sencillo para este tipo de pantalla es el de la fotografía directa del oscilograma. Sin embargo, este método es lento por lo que, en ocasiones , se acoplan al equipo sistemas de registro sobre papel que el propio operador puede manejar de manera simple, obteniendo la representación del oscilograma en tiempo real.

Fig.57: representación tipo A

2.52 Representación "Tipo B" La representación tipo B, usa una pantalla de osciloscopio típico que muestra una vista de una sección transversal del material a ser ensayado. La imagen es retenida sobre el TRC el tiempo necesario para evaluar la pieza y para fotografiar la pantalla, con el objeto de obtener un registro permanente.



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Fig.58: representación tipo B

2.53 Representación "Tipo C" La pantalla tipo C, representa una vista en planta, similar a una placa radiográfica. Además, muestra la forma y localización de la discontinuidad, pero no su profundidad. Los sistemas de alta velocidad de barrido, generalmente utilizan pantallas tipo C, conjuntamente con graficadores, algunos de ellos con papel tratado químicamente. El movimiento del papel está sincronizado con el movimiento del transductor a través de la superficie de ensayo. La ventaja de la pantalla tipo C, es su velocidad y su capacidad de producir registros permanentes. Sin embargo, la pantalla solamente da longitud y ancho, pero no la profundidad de la falla. Este tipo de representación, junto con el tipo B, prácticamente están reservados a los ensayos automáticos por inmersión.

Fig.59: Representación tipo C



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Las siguientes imágenes son una representación tipo C realizada por inmersión de una moneda (de su superficie)

Moneda Imágen ultrasónica

2.6. BLOQUES PATRONES DE CALIBRACION Y DE REFERENCIA 2.61 Bloques de calibración Los bloques de calibración en el ensayo por contacto se usan para comprobar el funcionamiento del equipo ultrasónico y del transductor, y para efectuar la regulación del instrumento a fin de que éste se adapte a las condiciones del ensayo. Permite la verificación de distancias conocidas y relaciones angulares; verificación del ángulo y del punto de salida de haz en un palpador angular; verificación de la resolución del palpador, etc. Los bloques de "calibración", algunas veces son incorrectamente llamados bloques de "referencia" porque contienen discontinuidades artificiales de dimensiones y profundidades conocidas. La Norma IRAM 723 "BLOQUES PATRON PARA CALIBRACION DE EQUIPOS", define dos bloques de calibración para equipos de ultrasonido que utilizan las técnicas por reflexión de pulsos. Estos dos bloques (tipo B1 y tipo B2), que se describen en el Apéndice I, tienen como antecedentes a los propuestos por el International Institute of Welding (Documento V-461-71/OF) y adoptados por la International Organization for Standards (I50/TC 44-Sec 345-44, F). En dicha norma se establecen las características del material, las dimensiones y tolerancias de fabricación. La Norma IRAM-CNEA Y 500-1002, fija el procedimiento que debe seguirse para calibrar y ajustar las condiciones de funcionamiento y sensibilidad de los equipos (incluidos palpador y correctores) utilizados en el ensayo de materiales por la técnica de reflexión, de manera que dichas calibraciones y ajustes sean reproducibles y comparables. Se adjuntan dichas normas en el Apéndice I 2.62 Bloques normalizados de referencia. En el examen por ultrasonido, todas las indicaciones de discontinuidades (ecos) son generalmente comparados con bloques normalizados de referencia. El bloque de referencia ideal debe ser un trozo de la misma pieza que vamos a verificar o bien debe estar constituido del mismo material. Algunos bloques se utilizan para la prueba de contacto, otros para el ensayo por inmersión y otros se utilizan para ambos. Aquí se presentaran algunos de los más comúnmente utilizados. Un bloque típico es el siguiente:



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Bloque ASTM

El bloque es cilíndrico E: diámetro del orificio de fondo plano B: Distancia entre la superficie de apoyo del palpador y el orificio de fondo plano. G: altura total del bloque La mayoría de los bloques tienen las siguientes características comunes: 1.- están fabricados con material cuidadosamente seleccionado. 2.- El material debe tener una atenuación, tamaño de grano y tratamiento térmico apropiado y libre de fallas. 3.- Todas sus dimensiones deben ser mecanizadas en forma precisa. 4.- Todos los orificios deben ser de fondo plano y tener el diámetro especificado para ser un reflector ideal. 5.- Los diámetros y largos de los orificios laterales deben ser cuidadosamente controlados. Normalmente son utilizados tres juegos de bloques de referencia: 1.- Bloques de referencia de área y amplitud. 2.- Bloques de referencia de amplitud y distancia. 3.- Juego básico ASTM de área-distancia y amplitud. Los juegos de área - amplitud proveen patrones de diferentes áreas en la discontinuidad (orificio “E”), a la misma profundidad (“B”). Los bloques de distancia - amplitud1proveen patrones con discontinuidades del mismo tamaño (“E”) a distintas profundidades (“B”). El juego básico de patrones ASTM consiste en 10 bloques de 50 mm de diámetro. G - B = 19 mm

Distancia “ B “ Diámetro “ E “ “ mm “ Mm 1/8 3,15 5/64 2 ¼ 6,50 5/64 2 ½ 12,7 5/64 2



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¾ 19 5/64 2 11/2 38 5/64 2 3 76 3/64 1,2 3 76 5/64 2 3 76 8/64 3,15 6 152 5/64 2 6 152 8/64 3,15

3-Principios básicos de aplicación


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3.- PRINCIPIOS BASICOS DE APLICACIÓN No hay quien se haya iniciado en el campo de la técnica de ultrasonido y no haya tenido que reconocer que, por muy profundos que sean los conocimientos técnicos adquiridos en la materia, inevitablemente surgen dificultades en la técnica de aplicación. La presente parte 3 de este trabajo informativo ha de servir para disminuir tales problemas, proporcionando datos de validez general en lo que respecta a la técnica de ensayo. Se recomienda, mediante ensayos prácticos preliminares con un equipo de ultrasonido, una dilucidación concreta de las relaciones que a continuación se describen. De este modo se podrá conseguir una cierta seguridad en el manejo de los palpadores y del equipo, que es imprescindible para el empleo en la práctica del ensayo. Es de señalar que muchos de los ensayos necesarios pueden llevarse a cabo con los bloques normalizados internacionalmente (Normas DIN 54120 y 54122; IRAM 723 ).

3.1. ACOPLAMIENTO En el ensayo práctico es preciso asegurar el fácil pasaje de las ondas ultrasónicas desde el palpador a la pieza de ensayo y viceversa, para obtener resultados seguros y reproducibles. Por esto, se debe remover todo el aire entre ellos lo que se realiza con el mojado de la superficie de la pieza por medio de un líquido o una pasta. El acoplante óptimo será aquel que, con un espesor de λ/4, tenga una impedancia acústica igual a la media geométrica de las impedancias en los dos medios adyacentes; esto se puede calcular como:

( )21 * ZZZ c = (27)

Donde: Zc: impedancia acústica del acoplante. Z1: impedancia acústica del medio 1 . Z2: impedancia acústica del medio 2 . La sustancia natural que más se aproxima a este acoplante ideal es la glicerina para muchos ensayos; pero la práctica ha demostrado que el agua o muchos aceites tienen casi la misma eficiencia. Así también se ha encontrado que el engrudo para papel de pared con antióxido puede servir como un buen acoplante, particularmente cuando el ensayo se hace sobre cabeza y en casos donde el aceite no es permitido. Existen en el mercado diversos acoplantes pero, en la mayoría de los casos no aportan ninguna ventaja esencial. Comúnmente se usa aceite de máquinas en los ensayos manuales y agua (con algún inhibidor de corrosión) como acoplante en aquellos automatizados.

3.2. SUPERFICIE DE LA PIEZA DE ENSAYO 3.21. Rugosidad Si la rugosidad superficial de la pieza es del orden o superior a la longitud de onda, se producirá dispersión acústica debido a la refracción (Fig. 19). La misma regla vale para la superficie posterior, donde la onda ultrasónica es dispersada por el fenómeno de reflexión. Como consecuencia de esto, la sensibilidad de indicación se reduce en comparación con otra pieza de igual tamaño, igual material, pero de superficie más lisas. Los efectos de reducción de la sensibilidad debida a la rugosidad puede ser compensada por el pulido de la superficie, o aumentando la ganancia del receptor. Obviamente, se debe ser cuidadoso para tener un buen



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acoplamiento, para esto se puede usar una capa protectora de neopreno resistente al aceite (llamada suela), colocada en el frente del palpador con algunas gotas de acoplarte entre éste y el neopreno. Esta capa llenará las desigualdades de la superficie facilitando la transferencia del sonido y protegiendo, a su vez, a la cara del palpador contra el desgaste o daños. Una parte de la energía ultrasónica será absorbida por la suela, pero el beneficio por el mejoramiento del acople , en muchos casos, es mayor que las perdidas en el material de la suela. 3.22. Curvatura Cuando se inspecciona por ultrasonido una pieza con superficies curvas, comúnmente se produce un ensanchamiento (divergencia) del haz. Este fenómeno es causado por refracción (Fig. 60).

lw

lk

lw

lk

c

c=

γ

α

sin

sin

Fig. 60: Divergencia adicional del haz causada por refracción entre el acoplante y la superficie de la pieza.

Además de esto, el área donde el palpador contacta a la pieza para la transferencia del sonido es menor, por lo que de esta forma, sólo se utiliza una parte de la superficie del cristal. Estos dos factores son la razón por la cual se reduce la sensibilidad del ensayo, comparado con el caso de una superficie plana. Es frecuente el uso de bloques adaptadores para obtener un área de contacto total entre el palpador y la superficie de la pieza. También, las ya mencionadas capas de neopreno pueden ser de utilidad. Es preciso puntualizar que con esto sólo se consigue aumentar el área de contacto sin lograr evitar la divergencia. La magnitud de la divergencia depende de las velocidades del sonido en el acoplante y la pieza. Este hecho se puede utilizar para la elección del material del bloque adaptador más conveniente. Como se ilustra en la Fig. 61, la doble refracción no tiene influencia en la propagación ultrasónica.



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Fig. 61: Refracción con y sin acoplante. El ángulo de refracción permanece constante; el haz

ultrasónico es levemente desviado. Por medio de la elección de materiales adecuados es posible, teóricamente, lograr una focalización (Fig. 62); debería considerarse que las perdidas por reflexión debido a las grandes diferencias de las impedancias sónicas del adaptador y el acoplante generalmente son mayores que la ganancia obtenida por la focalización.

Fig.62: Influencia de las velocidades del sonido en el adaptador (C1) y la pieza(C2)

. En el área de acoplamiento, por supuesto, se generan una serie de ecos; esto puede perturbar la interpretación de las indicaciones en la pantalla del TRC. Por esta razón, el bloque adaptador deberá ser lo más corto posible, de tal forma que los múltiples ecos estén muy juntos unos de otros y produzcan el menor ensanchamiento posible del eco de emisión ( particularmente cuando se use un material con alta atenuación, causando sólo unos pocos ecos múltiples), o se deberá hacer tan largo de tal forma que los ecos múltiples no ocurran en el rango del ensayo sobre la pantalla del TRC. En este caso el tiempo de recorrido en el adaptador deberá ser mayor que el tiempo de recorrido en la pieza. Esto se puede calcular como sigue:



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b

awa C

CII ⋅> (28)

Donde: Ia: longitud del bloque adaptador. Iw: longitud del camino sónico en la pieza. Ca: velocidad del sonido en el bloque adaptador. Cw: velocidad del sonido en la pieza. 3.23. Recubrimiento Se debe prestar especial atención a las superficies con recubrimientos . La regla general es que un recubrimiento firmemente adherido ( por ejemplo capas de pinturas, cascarillas firmemente adherentes o capas de herrumbre) causarán un efecto perturbador pequeño; pero es aconsejable la limpieza de la superficie por medio de cepillo de acero, lima, raspador o amolado cuando se encuentren depósitos exfoliados, esto es, cuando exista aire en los pequeños vacíos entre el depósito y la pieza. Estos espacios impiden en muchos casos la transferencia del ultrasonido. Superficies húmedas o grasosas en general no representan un inconveniente, la mayoría de las veces hasta ofrecen una ventaja a causa de que sus propiedades mejoran el acoplamiento.

3.3. SELECCION DE LOS PALPADORES A primera vista parece ser difícil la selección del palpador óptimo por la gran variedad de unidades disponibles para un problema de ensayo particular. La elección será facilitada cuando, antes que nada, se fije el procedimiento de ensayo y luego, en el orden que sigue, la dirección de penetración del sonido, frecuencia de ensayo y tamaño del cristal. 3.31. Procedimiento de ensayo El principio de pulso-eco es el método más común y ampliamente usado. Si es posible, este deberá ser el método preferido debido a que los defectos detectados pueden ser localizados (ver 2.22). Cuando se usa el método por transmisión (2.21), la localización resulta imposible, por lo que este procedimiento será solamente usado cuando el otro falle, por ejemplo en casos de alta absorción o fuerte dispersión, donde el eco de fondo no puede detectarse por el doble camino (ida y vuelta) del sonido, comparado con el camino simple que recorre en el método por transmisión. El principal campo de aplicación de los palpadores con doble cristal (T/R ó S/E) está en la detección de defectos muy cercanos a la superficie y en las mediciones de espesores de paredes o ensayos de corrosión. En este caso debe considerarse el ángulo y la distancia focal para obtener los resultados óptimos ( ver 2.3312). Otras elecciones deberán ser hechas de acuerdo a las siguientes consideraciones. 3.32. Selección de la dirección del haz ultrasónico Generalmente, la dirección del haz ultrasónico se elegirá de tal forma que los defectos esperados, ofrezcan la máxima reflexión, esto es, que el haz ultrasónico encuentre a la superficie del defecto en dirección perpendicular a este. Además , se debe tratar de evitar indicaciones causadas por la forma y geometría de la pieza en ensayo. El lugar donde el palpador es colocado sobre la superficie del componente deberá ser lo más plano y liso como sea posible para evitar el ensanchamiento del haz y las perdidas por dispersión. También, se deberá elegir una dirección de palpador con la que se obtenga un eco de fondo u otro eco de referencia el cual puede ser usado para la detección indirecta ( por ejemplo la desaparición del eco de fondo por causa de una estructura esponjosa o porosa en fundiciones de hierro sin tener otros ecos indicadores), y también como una indicación del correcto acoplamiento. En la Fig. 63 se dan algunos ejemplos de elecciones correctas e incorrectas de colocación de palpadores.



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Fig.63: Ejemplos de ubicaciones correctas e incorrectas del palpador

3.33. Selección de la frecuencia de ensayo En los equipos de ensayos modernos la frecuencia de ensayo está determinada exclusivamente por el palpador ; poseen una ancha banda para recibir y no contienen demasiados elementos que influyan en la frecuencia del ensayo. Se dice, generalizando, que un defecto con forma aproximadamente esférica puede ser indicada por el método de ensayo ultrasónico ( esto es palpador y equipo), cuando su diámetro es igual o mayor que una tercera parte de la longitud de onda. La longitud de onda puede ser calculada, como ya se indicó anteriormente, con la frecuencia del palpador y la velocidad del sonido en el material a ser ensayado, por medio de la fórmula (II). Al respecto debe tenerse presente que en la fórmula debe introducirse la velocidad del tipo de onda que se esté utilizando, por ejemplo, cuando se usan palpadores angulares, la velocidad de la onda transversal. Para poder detectar los defectos más pequeños , se deberá seleccionar la frecuencia más alta posible. Además de esto, los palpadores de altas frecuencias presentan pulsos cortos (angostos) produciendo así una mejor resolución, como se muestra en la Fig. 64.

Fig. 64: Ejemplos de buena (Izq.) y mala (Der.) resolución.



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Los límites de las frecuencias superiores, sin embargo, están dadas por la estructura cristalina y/o la absorción del material. En el primer caso, cada grano cristalino da una reflexión y dispersión, produciendo un considerable "césped o pasto ) o indicaciones de "ruidos de la estructura" en la pantalla del TRC. En este caso, un eco de fondo se superpondrá más o menos al ruido y no será detectable. Esta es la razón por la cual es imposible detectar defectos menores o iguales a la estructura del material. Un ejemplo de esto se da en la Fig. 65, donde el eco de fondo no puede visualizarse dentro de las indicaciones de la estructura. El caso de una absorción extremadamente alta es frecuente encontrarla cuando se ensayan materiales como resinas o plásticos. La absorción aumenta rápidamente con la frecuencia llegándose así al límite superior de la misma. Por lo expuesto, se pueden generalizar, para la elección de la frecuencia de ensayo, la siguiente regla: La frecuencia deberá ser lo mas alta posible para una buena resolución y detección de defectos pequeños. El limite superior de ella esta dado por la respuesta de absorción de la estructura granular y será superado cuando un eco de fondo de la pieza no pueda ser individualizado. En caso de incertidumbre, ensayos preliminares breves con diferentes frecuencias, podrán clarificar la situación.

Fig.65: Indicaciones de pantalla de una barra de Zn moldeada (Izq.) y una de acero forjado (Der.)

del mismo espesor. Frecuencia:6MHz Usualmente, materiales forjados o prensados se examinan con frecuencias entre 2 y 6 MHz; piezas fundidas que por lo general tienen estructuras más gruesas necesitan frecuencias entre 0.5 y 2 MHz. Cerámicos (por ejemplo aisladores eléctricos, etc.) presentan también una buena conductividad sonora y pueden ser ensayados en la mayoría de los casos con 2 ó 4 MHz. Materiales sintéticos, dependiendo de su absorción y espesores, serán ensayados con frecuencias desde 1 a 4 MHz. Las frecuencias de ensayo para concreto y materiales similares están entre 50 y 200 KHz, necesitándose en estos casos equipos especiales. 3.34. Selección del tamaño del transductor Generalmente, existe una gran variedad de tamaños de cristales diferentes por lo que se hace necesario una selección. Si el tamaño máximo no está limitado por las dimensiones de la pieza de ensayo, debe ser considerado en primer término cuando se requiera o no la determinación de un tamaño de defecto equivalente. En este caso, el tamaño del cristal deberá ser tal que la longitud del campo cercano del palpador sea menor que la profundidad estimada para los defectos, dado que la determinación del tamaño equivalente de defecto sólo es posible en el rango del campo lejano. Cuando se calcula la longitud del campo cercano, es posible colocar en la fórmula ( 13 ) el diámetro efectivo. Además, el diámetro del haz sónico φ, a la profundidad "1", deberá ser lo más pequeño que se pueda para mantener la relación : tamaño de defecto / diámetro del haz lo más grande como sea posible y así conseguir los resultados óptimos para la sensibilidad de indicación y localización lateral. El diámetro φ, a la profundidad "1", puede ser calculado como sigue (Fig. 66).



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Fig.66: Cálculo del diámetro del haz ultrasónico.

( ) 1002 ϑϕ tgllD ∗−∗+= para l > l0 (29)

Donde: D: diámetro del cristal. l0: longitud del campo cercano. ϕ10: ángulo de divergencia (ver XV y XVI). Cuando no se requiere la determinación del tamaño del defecto equivalente, la examinación puede llevarse a cabo tanto en el campo cercano como en el campo lejano. La máxima sensibilidad posible se encuentra en la vecindad de la longitud del campo cercano; a profundidades mas pequeñas que esta longitud, la localización de un defecto en la dirección lateral está agravada debido al hecho de que allí puede haber presión acústica (esto es sensibilidad) mínima en el eje del haz , y alta sensibilidad en la zona marginal del haz , causado por las interferencias en el área del campo cercano. El diámetro del haz ultrasónico en el campo cercano es aproximadamente igual al diámetro del cristal:

D=φ para l 0l≤ (30)

Por lo arriba mencionado, es suficiente colocar el diámetro verdadero en lugar del efectivo, el cual es un porcentaje más pequeño que el real y debe ser provisto por el fabricante. En la Fig. 67 se dan algunos ejemplos de las geometrías de haces ultrasónicos.

Fig. 67: Diferentes formas de haces de palpadores de 4 MHz en acero (esquema)

Es obvio que los resultados óptimos se encontrarán a la profundidad de "l1" para el cristal de 6 mm; de “lz” para el de 24 mm y a "l3" para el de 40 mm. Generalmente se puede decir que para piezas pequeñas se tomarán diámetros pequeños y para piezas grandes diámetros mayores.



61

3.4. AJUSTE DEL EQUIPO Aquí solamente se darán instrucciones generales para el ajuste del instrumental; los detalles deberán ser estudiados de los manuales provistos junto con el equipamiento. El procedimiento de ajuste consiste en dos partes: 1) ajuste del rango de profundidad y 2) ajuste de la sensibilidad. La puesta a punto del rango de profundidad deberá ser hecho antes que el de la ganancia. El ajuste de la longitud de medida de la profundidad (rango) en sí mismo consiste en dos etapas: 1.1) desarrollar el rango de profundidad de interés en la máxima distancia plana de la pantalla del TRC, para facilitar la lectura de profundidad , y 1.2) ajustar el cero para compensar las influencias de capas protectoras, líneas de retardo, etc. . Para mayor información, referirse a las normas por ejemplo DIN 54 120 y 54 122 ( bloques 1 y 2 de referencias) o IRAM-CNEA Y 500-1 002 . El ajuste de la ganancia de la sensibilidad es el segundo paso en la puesta a punto del equipo. Si no hay instrucciones de especificaciones particulares, será un buen método colocar el eco de fondo de 6 a 12 dB por encima de la altura total de la pantalla (ATP). Aún cuando sean detectados pequeños defectos, la ganancia será incrementada hasta que se observen las indicaciones de la estructura. Este "ruido de la estructura o césped" usualmente no es buscado y puede ser eliminado por medio del regulador de supresión. Cuando se requiere una evaluación de defectos por medio de la altura de los ecos, el supresor debe volverse a cero para evitar observar en forma no lineal las indicaciones. En otros casos, por ejemplo en inspecciones con palpadores angulares, o cuando el eco de fondo no puede ser observado, puede ser útil tener una probeta con defectos artificiales (por ejemplo un orificio calibrado de 2 mm de diámetro). Para obtener pulsos lo más angostos posible (alta resolución) se recomienda llevar a cabo el ensayo con la mínima potencia del transmisor; solamente después de haber alcanzado el punto de máxima sensibilidad, o la inspección ha sido llevada a cabo en lugares con altos ruidos eléctricos (arranques automáticos, soldadoras, etc.), se puede incrementar la salida del transmisor, en casos de ganancia reducida.

3.5. TECNICA DE INMERSION Para la inspección ultrasónica por el método de inmersión la pieza es totalmente sumergida en un líquido (comúnmente agua) y el haz es usualmente proyectado desde una cierta distancia. (Fig. 68).

a: Esquema de ubicación principal

.



62

b c

Fig. 68 1:Eco de emisión. 2:Primer eco de la superficie superior. 3:Eco del defecto. 4:Eco de fondo (pared posterior) 5 a 8: segundo a quinto eco de la superficie superior. a): Recorrido en el fluido demasiado corto; aparecen ecos múltiples (5) de la superficie dentro del rango de ensayo (de 2 a 4). c): Correcto dimensionamiento de la línea de retardo. El límite líquido-componente producirá, por este método, un eco de superficie el cual, con un correcto ajuste del rango de profundidad, marcará el cero en la pantalla del TRC en lugar del eco de emisión (en muchos casos no interesa la supervisión de camino en el fluido, así que, contrariamente a lo que muestra la Fig. 68 (c) la distancia entre los ecos Nº 2 al Nº 4 será la que se desarrollará a lo largo del total de la pantalla). La ventaja de este método es el constante y uniforme acoplamiento. Además, el eco de la superficie (entrada a la pieza de ensayo) es más angosto que el eco de emisión, permitiendo así una mejor resolución a pequeñas profundidades en la pieza. Como en este caso, a diferencia de la técnica de contacto directo, no hay reflexión total ( el medio líquido es considerablemente mejor conductor ultrasónico que el aire), y como una parte del sonido es reflejada y se propaga en el medio líquido, debe prestarse atención a las indicaciones provenientes de la zona del líquido pues pueden interpretarse como defectos inexistentes. Si en la técnica de inmersión se usan reflexiones en zig-zag, el rango de la onda ultrasónica será más corto que en la técnica de contacto directo (Fig. 69 a) debido a la conversión de onda y radiación de energía (ley de refracción) en cada paso (Fig. 69 b). Por ejemplo, cuando en un ensayo de un tubo (Fig. 46), este se sumerge en un líquido, el eco de referencia de la circunferencia obviamente disminuirá o desaparecerá.

Fig. 69: a) técnica de contacto; b) técnica de inmersión



63

Tampoco puede ser eliminada por la técnica de inmersión la influencia de la dispersión provocada por la rugosidad de la superficie , como falsamente se asume en muchos casos. Así, la técnica de inmersión tiene como principal ventaja un acoplamiento constante con la superficie de la pieza de trabajo. Otra ventaja es que dado que el palpador no está en contacto directo con la pieza, se pueden usar cristales más finos de alta frecuencia. Se debe prestar atención a que la longitud del trayecto sónico en el fluido sea lo suficientemente grande para evitar que los ecos múltiples no caigan dentro del rango de ensayo. En principio, las mismas reglas dadas para el retardo en los bloques (ver sección 3.22, formula 28 ) son válidas aquí y muy importantes; así como se colocaba la longitud y la velocidad sónica en el bloque de retardo se debe colocar ahora los valores del trayecto previo en el fluido. Es frecuente el uso de palpadores focalizados en esta técnica, los que ofrecen una alta sensibilidad de ensayo concentrada sobre un lugar relativamente pequeño. El modo de actuar de los focalizadores ("lentes", Fig. 70 a y b) se deduce también de las leyes de refracción (ver sección 3.22 y fórmula 9).

Fig. 70 Izq.: palpador con focalización (lente) en agua. Der.: Acortamiento de la longitud focal

cuando el foco cae dentro de la pieza. La elección para el uso de una lente cóncava o convexa, depende de las velocidades del sonido en el material de las mismas y en el fluido. La longitud focal de tales lentes ultrasónicas se puede calcular así:

1

21CC

rf

−= (31)

Donde: f : longitud focal. r : radio de curvatura de la lente. c1: velocidad del sonido en la lente. c2: velocidad del sonido en el líquido.



64

Las velocidades del sonido c1y c2 deberán tener la mayor diferencia posible para obtener un alto índice de refracción, y sus impedancias acústicas lo más semejantes posibles para conseguir las mínimas pérdidas por reflexión. Buenos resultados que concilian estos dos términos las ofrece el plexiglás. Si lo que se busca es focalizar en un punto, la curvatura de la lente deberá ser esférica Fig. 71 a); si la focalización se busca en una línea , la lente será cilíndrica Fig. 71 b).

a b

Fig. 71 Lentes acústicas. a) Focalizado en un punto; b) focalizado en una línea Se debe considerar también que si la focalización se realiza dentro de la pieza y no en su superficie, habrá una refracción adicional en la superficie límite líquido / pieza. Este hecho causa un acortamiento (en el plano de la superficie) de la longitud focal, el cual es aproximadamente proporcional a la relación de velocidades (Fig. 70 b ). Ejemplo: Supongamos que queremos determinar cuál será el camino más adecuado en el agua (distancia palpador-pieza) si se usa un palpador focalizado con una longitud focal en agua de 100 mm y el foco se desea colocar a 5 mm por debajo de la superficie de la pieza ( de acero).Para el cálculo se deberá:

Sagua = Sf − Sm.(Cm / Cagua) Donde : Sagua: paso en el agua (distancia entre el palpador y la pieza de ensayo). Sf : distancia focal en agua. Sm: distancia en el material de ensayo C m y Cagua : velocidad del sonido en el material de ensayo y en agua respectivamente. 1.- Hallar la relación entre la velocidad en el acero y la velocidad sónica en el agua.



65

4/105,1

/100.65

5

=∗∗

scm

scm Significa que una unidad de medida en acero será igual a cuatro en agua.

2.- Hallar la equivalencia entre el camino deseado en acero y en agua. 4*5 mm (en acero) = 20 mm (en agua) 3.- Restar a la distancia focal de la lente: 100 - 20 = 80 mm Por lo tanto la distancia a la cual se deberá colocar la lente para que el haz se focalice dentro de la pieza a una profundidad de 5 mm será de 80 mm (recorrido en agua). Resumiendo, podemos decir que la utilización de lentes acústicas ofrecen :

• Incremento en la sensibilidad para defectos pequeños.

• Mejoramiento de la resolución cerca de la superficie



66

• Corrección del contorno de las superficies

• Mejoramiento de la relación señal / ruido

Calculo de compensación en ultrasonido por inmersión Cuando se realiza un ensayo de ondas de corte circunferencial en tuberías de aleaciones de acero, muchas especificaciones requieren obtener una onda refractada de 45 grados dentro de el espesor de la tubería. La compensación del transductor requerida para producir esto debe ser calculada usando la Ley de Snell. Para determinar el ángulo incidente correcto que producirá una onda de corte refractada de 45 grados será:

=

SS

OH

vv

2SSOH è senè sen

2



67

y la ecuación de compensación para determinar el corrimiento del transductor respecto de la línea central de la tubería para producir el ángulo de incidencia calculado es:

sen èRx ⋅=

óncompensacix =

2OD

R =

Sin embargo con una derivación de las ecuaciones se obtiene una regla simple aproximada de la

compensación deseada = 6OD

, que puede ser calculada mentalmente mientras se está frente al

sistema a ensayar.

=

SS

OH

vv

2SSsenRX θ

=

3.1km/s1.48km/s

sen45ºRX

( )338.0RX =

( )338.02

OD=X

Como 0.338 es aproximadamente 1/3, la ecuación puede ser reescrita

31

2OD

=X

6OD

=X

Esta regla aproximada para calcular la compensación del transductor para materiales de velocidades similares.



68

Por ejemplo para encontrar la compensación que producirá una onda de corte de 45 grados circunferencial aproximada en una tubería de acero inoxidable de 6.4 mm de diámetro, calculando 6.4/6=1.05 mm de compensación. La siguiente Fig. muestra el problema planteado

3.6. INTERPRETACION DE LA PRESENTACION EN LA PANTALLA DE TRC Como ya fue mencionado anteriormente, el haz electrónico, dentro del tubo de rayos catódicos, es deflectado en la dirección horizontal en una proporción lineal con el tiempo ( generador de la base de tiempo); además de esto, es también deflectado en la dirección vertical cuando aparece un voltaje eléctrico adicional en el transductor (señal ultrasónica de emisión o recepción). Principalmente lo que se mide es el tiempo de recorrido de la onda ultrasónica en la pieza. De acuerdo con la relación:

(velocidad) c = (distancia) a (tiempo) t

el espesor de la pieza o la distancia a un defecto puede ser calculada cuando se conoce la velocidad del sonido como :

cta ∗= (32) De allí que la pantalla del TRC puede ser calibrada directamente en longitud cuando la velocidad del sonido es conocida. Después de un ajuste correcto, se leerá directamente en las divisiones de la pantalla la longitud al reflector en mm. Como referencia para esta lectura se toma el punto (en abscisas) sobre el cual el eco comienza a crecer (Fig. 72).



69

Fig.72:El punto en donde el eco se levanta (punto izquierdo en la base del mismo), es la referencia para su localización. Los cuatro ecos visibles (excepto el eco de emisión) están localizados en las divisiones: 1,5 ; 4,5 ; 6,0 y 9,0. 3.61. Indicaciones de defectos Los defectos son indicados de diferentes maneras , de acuerdo a sus formas, tamaños y ubicaciones dentro de la pieza. 3.611. Indicaciones directas El más comúnmente usado y confiable es el método de indicación directa del defecto el que debería ser aplicado, siempre que sea posible, ya que dará los resultados más satisfactorios de evaluación y reconocimiento. En este método aparece sobre la pantalla del TRC, un pulso o eco adicional. 3.6111. Eco de localización del defecto La localización de un defecto , esto es su profundidad, puede ser leída desde la pantalla de TRC siempre que antes se haya realizado un correcta calibración del rango de medida. Para ello, se puede ajustar en el equipo una longitud de medición aproximada y redonda de número entero, y leer el lugar del defecto, sin mayores cálculos, como fracción fácilmente distinguible de la longitud de medición total ajustada (Fig. 73).

Fig. 73:Rango de medición:200mm

Eco de fondo en: 145 mm Eco del defecto: 86,7 mm

Otra forma de calibración es desarrollar, en el total de la pantalla, la distancia entre el eco de emisión y el eco de fondo de la pieza, y leer la localización del defecto como una fracción porcentual del espesor de la misma (Fig. 74).



70

Fig.74: Sea la longitud de medición , por ejemplo 145mm; luego el eco de fondo se lee en 145mm

y el eco del defecto en 59,8% de 145mm = 86,7mm Cuando se usan palpadores angulares es sencillo, en algunos casos, determinar la localización de un defecto por la componente horizontal ( distancia proyectada) del haz ultrasónico oblicuo, o por la componente vertical (profundidad) en lugar de hacerlo a través de la longitud del camino sónico. En la práctica, se usan las misma reglas para la localización de defectos que las ya mencionada antes, junto con las correspondientes funciones trigonométricas (factor proporcional para ángulo constante). Muchas veces, cuando se usan palpadores normales o angulares, el fuerte impulso del eco de emisión (su ancho) afecta la resolución y sensibilidad sobre distancias pequeñas, cercanas a la superficie (zona muerta), dificultando la detección de defectos que están muy cerca de la superficie. Se podría pensar que sería más ventajoso visualizar en pantalla, por ejemplo, el rango entre el primer y segundo eco de fondo en lugar de la distancia entre el eco de emisión y el primer eco de fondo, ya que, como se dijo en la sección 2.22, se repite la presentación, y además al ser el primer eco de fondo mucho más estrecho que el de emisión, se esperaría una mejor detectabilidad y resolución a cortas distancias de la superficie. Este método no se recomienda y no debe ser aplicado ya que existe el peligro de que aparezcan indicaciones falsas (ver 4.2). Siempre se usará el rango entre el eco de emisión y el primer eco de fondo; los defectos cercanos a la superficie serán tratados de hallar por medio de palpadores con doble cristal (T/R o S/E), o desde el lado posterior, o por alguna otra técnica. 3.6112. Altura del eco Generalmente se puede decir que no es posible determinar el tamaño exacto de un defecto por medio de la altura de un eco. Se puede observar en las algo simplificadas ilustraciones de la Fig. 75 que la altura de los ecos también depende de la orientación de la superficie reflectora del defecto, del grado de rugosidad (en comparación con la longitud de onda), de la forma (esférica, cilíndrica, plana, etc.), y , por supuesto, del material del defecto (cavidades gaseosas, segregaciones, inclusiones no metálicas).



71

Fig.75:Reflexiones y vistas de pantallas obtenidas de diferentes defectos(esquemático, no usar

como catálogo). Sin embargo es posible, por medio de series de ensayos experimentales (particularmente en casos de producciones masivas) y junto a ensayos destructivos, adquirir cierta experiencia particular, para los mismos tipos de discontinuidades, y así ser capaz de poder afirmar con bastante seguridad sobre el tamaño de los defectos encontrados. Estas afirmaciones sólo tendrán validez para las mismas o tipos de tareas similares. La altura de los ecos pueden además estar relacionadas con las indicaciones que provienen de defectos artificiales patrones con propiedades definidas (orificios de fondo plano perpendiculares a la dirección del sonido, orificios cilíndricos, ranuras, etc.). Esto permite unificar la técnica de ensayo, lo que es indispensable para establecer normas generales y prescripciones para la realización de los ensayos. 3.6113. Forma del eco La forma de un eco que se muestre sobre la pantalla de TRC permite estimar la forma superficial de un defecto. La experiencia ha demostrado que aquellos que posean superficies lisas, ya sean planos o curvados, producirán un único eco angosto (agudo), mientras que defectos irregulares, con superficies rugosas producirán ecos anchos, interrumpidos, escarpados casi sin ningún pico definido (Fig. 76) .



72

Fig.76: Defectos con diferentes formas y sus resultados de pantalla.

3.6114. Proyección del haz desde diferentes direcciones Si un defecto, una vez detectado, es expuesto a un haz ultrasónico desde distintas direcciones, se obtendrá una mejor evaluación de la forma y tamaño del mismo. Un defecto con forma esférica dará aproximadamente la misma respuesta, esto es la altura del eco, desde diferentes direcciones, mientras que un defecto plano presentará, obviamente, un máximo cuando el haz caiga perpendicularmente a la superficie, y un mínimo cuando sea paralela a esta. 3.612. Indicaciones indirectas de defectos En muchos casos, cuando no son posibles indicaciones directas, los defectos pueden ser indicados indirectamente , por ejemplo en ciertos tipos de porosidad o esponjosidad como se muestra en la Fig. 76 ( inferior - izquierda). La altura del eco de fondo disminuirá considerablemente al mismo tiempo que aparecerán ecos del defecto. Con el ensayo indirecto de defectos, el eco de fondo decrece aun cuando no se visualicen ecos del defecto. La observación del eco de fondo, hoy en día, es parte esencial en algunos modernos ensayos ultrasónicos. Se debe considerar además que una caída del eco de fondo también puede ser causado por rugosidad o curvatura de la superficie como así también por acoplamiento insuficiente. En general son válidas las mismas reglas que para el método de transmisión, donde se observa un decaimiento análogo del pulso penetrante cuando el defecto está localizado entre los dos palpadores ultrasónicos (también aquí la altura del eco depende de la rugosidad, curvatura, calidad de acoplamiento, y, adicionalmente, del correcto posicionamiento. En muchos casos, los resultados del ensayo pueden ser clarificados por los múltiples ecos en lugar de un solo eco de fondo. 3.62. Indicaciones de defectos aparentes Las indicaciones de defectos aparentes son causadas por otros fenómenos más que por defectos verdaderos. Pueden existir las siguientes razones: respuestas a la geometría de la pieza, mala elección de palpadores, conversión de ondas, y ecos espurios o ecos fantasmas por valores demasiado altos de repetición de pulsos. Como la presencia de indicaciones de defectos aparentes dificulta la evaluación de los resultados del ensayo, es preciso evitarlos en la medida de lo posible. Para ello puede procederse, por ejemplo de la siguiente manera: elegir la posición del palpador y la dirección óptima del haz. el rango de evaluación deberá ser entre el eco de emisión y el primer eco de fondo; las indicaciones aparentes, frecuentemente, aparecen después del eco de fondo debido a tiempos y trayectos de recorrido del sonido más largos Si no es posible evitar estas indicaciones dentro del rango de ensayo, es factible predecir, y así, tomar en cuenta el lugar de su aparición. 3.621. Conversión y desdoblamiento de ondas



73

3.6211. Incidencia rasante de ondas Cuando las ondas ultrasónicas ( ondas longitudinales) viajan en forma paralela y cercanas a la superficie de la pieza, por ejemplo cuando se ensaya desde un extremo a otro un componente cilíndrico de aproximadamente el mismo diámetro que el cristal del transductor, se pueden producir desdoblamientos a ondas transversales que viajan a través de la pieza con diferentes velocidades y en otras direcciones las que pueden determinarse por medio de la ley de refracción (Fig. 77).

Fig. 77:Generación de ecos satélites por desdoblamiento y reconversión de ondas transversales.

1:Eco de pared de fondo. 2:Primer eco satélite

3:Segundo eco satélite 4:Segundo eco de fondo

El desdoblamiento y transformación de ondas transversales puede ocurrir una, dos, tres o más veces tanto en el camino de ida como en el de vuelta, y en cualquier punto de la superficie del componente. Estos ecos, llamados satélites, aparecen siempre después del primer eco de fondo debido tanto, al camino recorrido más largo, como a que la velocidad de las ondas transversales es menor. El tiempo adicional de recorrido es múltiplo entero del tiempo necesario para que la onda transversal viaje a través de la pieza y puede ser calculado como:

−∗=∆ β

βtg

ccD

st

l

cos

1

2 (33)

Donde: ∆s : diferencia de camino sónico entre el primer eco de fondo y el primer eco satélite o entre dos ecos satélites adyacentes. D : diámetro de la pieza. cl : velocidad de la onda longitudinal. ct : velocidad de la onda transversal.



74

β: ángulo de la onda transversal desdoblada ( puede ser calculado por medio de la ley de refracción). Además de esto, es posible determinar la velocidad de la onda transversal por medio de los ecos satélites como se indica a continuación:

( )D

s

cc

lt

221 ∆∗+=

(34)

Sin ecos satélites Con ecos satélites

Fig. 78 :Ecos de fondo múltiples. 3.6212. Transformación de onda de 29º/ 61º Según la ley de efracción pueden ser generadas por una onda longitudinal que incida oblicuamente sobre una superficie refractante de la pieza, dos tipos de ondas: una onda longitudinal y una transversal (ver sección 1.422). Generalmente, ambos tipos de ondas no tienen la misma energía, dado que las mismas dependen del ángulo de incidencia Fig. 79. En el rango entre 60º a 75º, las ondas longitudinales tienen un marcado mínimo, mientras que las ondas transversales son esencialmente fuertes. Esto significa que una onda longitudinal incidiendo en estos ángulos producirá, principalmente una onda transversal y solamente una débil onda longitudinal. El ángulo de la onda transversal refractada se puede calcular por medio de la ley de refracción. Este fenómeno puede causar una situación complicada cuando los ángulos de ambas ondas suman 90º, y hay un borde de la pieza en escuadra (90º) en el camino sónico. La marcha del camino sónico es el ilustrado en la Fig. 80a. La presión sónica es muy débil en el camino normalmente esperado; la onda transversal generada es mucho más fuerte, pero sigue otra dirección y no vuelve al palpador. Así es que el efecto de borde en escuadra debilita notablemente la reflexión. El caso inverso (Fig. 80 b), debe tomarse en consideración cuando se usan palpadores de 60º.



75

Fig.79: Presión sónica de ondas longitudinales y transversales vs. ángulo de incidencia (α)

El valor máximo ha sido definido pero sigue otra como 100 %.

Fig. 80: Conversión del tipo de onda 29º/ 61º en una pieza con bordes rectangulares.

L: longitudinal ; T: transversal. Los ángulos para cualquier material se pueden calcular con las siguientes fórmulas:

clct

lsentsen

ctcl

tsenlsen

lttl

==

=+=+

βα

βα

βαβα º90º90

(35)

Para acero se obtienen los ángulos de 29º y 61º. Esto significa que, en acero, una onda longitudinal que incida sobre una superficie con un ángulo de 61º será casi totalmente transformada en una onda transversal con un ángulo de reflexión de 29º, y viceversa. Tales transformaciones de ondas, junto a una forma particular de la pieza, pueden a su vez, dar origen a ecos de defectos aparentes. 3.6213. Ondas superficiales Cuando se usan palpadores con grandes ángulos, y debido a la divergencia del haz sónico, se pueden generar ondas superficiales, las que viajan a lo largo de la superficie con una velocidad diferente a las ondas transversales (ver sección 1.41), y son susceptibles de reaccionar a pequeñas rugosidades de la superficie, causando así indicaciones. Los ecos producidos por estas ondas disminuirán su altura cuando se toque con la punta del dedo con aceite la superficie de la pieza, entre el palpador y la rugosidad que da origen a la indicación. 3.6214. Ondas Lamb



76

Cuando se ensayan chapas metálicas delgadas, muy frecuentemente se generan ondas Lamb en lugar de las ondas transversales ordinarias. La velocidad de estas ondas es función del espesor de la chapa, frecuencia y del tipo de onda Lamb. En estos casos, la inspección deberá ser llevada a cabo usando el método de ondas Lamb exclusivamente, usando un palpador universal (ver secciones 1.41 y 2.3323). Además de esto, la onda Lamb es mucho menos atenuada en el material que la onda transversal por lo que resulta en un ensayo de alta sensibilidad. 3.622. Geometría de la pieza de ensayo 3.6221. Reflectores dentro del camino sonido Frecuentemente las indicaciones son causadas por bordes, ya sea perpendiculares u oblicuos al camino sónico (Fig. 63 arc), y en muchos casos pueden ser evitadas por medio de una adecuada elección del palpador, lugar de ensayo y dirección. De otra forma, la mayoría de las veces, es bastante fácil predeterminar sus localizaciones en la pantalla del TRC. 3.6222. Ecos parásitos por desviación del haz Ecos debidos a la desviación del haz son causados por la geometría de la pieza, como se muestra en la Fig. 63 b. Se producen después del primer eco de fondo cuando se examinan barras redondas desde la superficie cilíndrica. En este caso, la causa de este fenómeno es el ensanchamiento del haz debido a la curvatura de la superficie. Como se muestra en la Fig. 81, se produce una reflexión triangular con y sin transformación del tipo de onda. En muchos casos, los tiempos de recorrido del sonido de los ecos satélites, son mas largos que el del eco de fondo de tal forma que aquellos aparecerán después que este. Además, por la conversión de tipo de onda, el tiempo de recorrido es más largo dada la menor velocidad de las ondas transversales.

Fig.81:Generación de ecos satélites en la inspección de una barra cilíndrica.

1:Primer eco de fondo 2:Eco satélite por reflexión triangular sin conversión de tipo de onda (α2 = β2) 3:Eco satélite por reflexión triangular con conversión de tipo de onda (α2 ≠ β2) 4:Segundo eco de fondo



77

3.623. Ecos espurios o fantasmas La aparición de ecos espurios o fantasmas se deben a frecuencias de repetición de pulsos excesivamente altas, esto es intervalos demasiado pequeños entre un impulso y el siguiente. Como cada pulso transmitido también activa (dispara) nuevamente la deflexión horizontal (base de tiempo) del haz electrónico del osciloscopio , puede suceder que al darse una larga secuencia de ecos, los últimos ecos de un impulso emitido aún no se hayan extinguido totalmente cuando se inicia el impulso de emisión siguiente. Como consecuencia del nuevo disparo, los impulsos residuales de una secuencia se presentan en la pantalla conjuntamente con la nueva secuencia de impulsos .En la Fig. 82 se observa el principio de la generación de ecos fantasmas. Un método seguro para reconocer estos ecos, es variando la frecuencia del pulso de repetición de tal forma que, cuando ésta se reduce suficientemente, los ecos fantasmas desaparecerán. En mayoría de los equipos en particular los aparatos para ensayos manuales, la frecuencia de la secuencia de pulsos es conmutada al comando de rango de medición de tal manera que, siempre hay una distancia suficientemente grande entre los distintos pulsos emitidos, con lo que se previene la generación de ecos fantasmas. En el caso de aparatos integrados en instalaciones, donde la frecuencia de la secuencia de impulsos también puede ajustarse independientemente de la longitud de medición, debe contemplarse la posibilidad de estos ecos en caso de manejo incorrecto.

Fig.82:Formación de ecos fantasmas.

Izquierda:: distancia suficiente entre pulsos. Derecha: ecos fantasmas causados por distancia insuficiente entre pulsos de transmisión. Los últimos ecos múltiples de una secuencia anterior son visibles entre los ecos de la nueva secuencia.

3.7 DETERMINACION DE LA FORMA Y TAMAÑO DE DISCONTINUIDADES Dado cualquier discontinuidad como puede ser una cavidad en una fundición de hierro representará un obstáculo para la onda sónica. La información de este defecto se puede obtener por medio de la onda reflejada en él (su eco) cuando se usa el método del eco o por medio de su sombra cuando se aplica el método de la medición de la intensidad del sonido. Tanto el eco del defecto como de su sombra están basados en conceptos puramente óptico-geométricos por lo que la información que se puede obtener sólo será posible en los casos de discontinuidades grandes y regulares como por ejemplo en fisuras transversales planas y lisas en una barra donde la onda incidente se reflejará como en un espejo y con una sombra total detrás de ella. Sin embargo, los defectos naturales pueden ser tan pequeños que produzcan fenómenos de difracción tanto en el eco que producen como en su sombra. Por esto las discontinuidades se



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clasifican de acuerdo a sus dimensiones transversales con respecto al haz sónico en discontinuidades grandes y pequeñas. Se aclara que la designación de "pequeño" no es una evaluación de la seriedad de la discontinuidad con respecto a la pieza en ensayo o lo que es lo mismo como puede afectar su aptitud para el servicio. 3.71. Discontinuidades grandes. El tamaño de las discontinuidades grandes o sea aquellas que son mayores que la sección transversal del haz sónico a la profundidad del defecto se pueden estudiar por el método de los valores medios o método de exploración dinámica. El estudio se realiza de la siguiente forma: se barre la pieza fuera de la zona donde se encuentra el defecto sin que existan interferencias de paredes laterales. Si se obtiene eco de fondo este se calibra a una determinada altura total de pantalla ( por Ej. 80% ATP) . Cuando el haz comience a interceptar el defecto el eco de fondo comenzará a disminuir tomándose como proyección del defecto sobre la superficie de la pieza aquel punto en el cual el eco de fondo haya disminuido a la mitad del valor de la ATP calibrada anteriormente (en nuestro Ej. 40% ATP). En este punto el eje del haz se encontrará en el borde del defecto. Así se continúa delimitando el contorno de la falla. Ver Fig. 83. En el caso de fallas alargadas en las cuales sólo la dimensión longitudinal sea mayor que el diámetro del haz se podrá determinar por este método solamente esta longitud. Siempre es preferible trabajar con un haz de rayos lo más paralelos posibles esto es en el campo cercano en un palpador de gran diámetro o en el campo lejano con palpadores de pequeño ángulo de divergencia.

Fig. 83: Comportamiento del eco del defecto y del eco de fondo durante el barrido de un defecto

grande. Este método necesita del eco de fondo (superficies de barrido y de fondo paralelas) no siendo imprescindible la aparición del eco del defecto el cual podrá estar en posición oblicua o ser volumétrico (cavidad de contracción). De esta forma los resultados serán independientes de la ganancia del ensayo y de la orientación o forma del defecto. Si por cualquier razón no se tuviera eco de fondo el ensayo se podrá realizar de la misma forma pero con el eco del defecto. En este caso los resultados obtenidos si dependerán del nivel de sensibilidad del ensayo (ganancia) y la orientación o forma del defecto. Es claro que cuando la discontinuidad en estudio sea paralela a la superficie de barrido los resultados serán reales pero en el caso de orientaciones o geometrías diferentes (falla oblicua o rugosidad) los resultados serán sólo aproximados al real dependiendo de que criterio de mínima altura de la indicación de su eco se adopte el que indicará dónde comienza la heterogeneidad. De la misma forma se podrán medir por medio de palpadores angulares de 70º a 75º la profundidad de fisuras superficiales o la distancia de fisuras desde la superficie en el caso de que estas existan y sean grandes por ejemplo en forjados.



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De ser posible la profundidad se medirá de ambos lados y los resultados promediados. 3.72. Discontinuidades pequeñas La determinación del tamaño de defectos pequeños (área del defecto menor que la sección transversal del haz sónico) se puede realizar solamente midiendo el eco de máxima amplitud producido por el defecto. Este método se llama de determinación estática (sin movimiento del palpador) y luego se lo compara con discontinuidades conocidas. Estas discontinuidades o reflectores pueden ser: 1) Discontinuidades naturales conocidas de idéntica naturaleza y morfología que las estudiadas. Es el caso ideal pero también el más limitado pues se puede aplicar en casos muy particulares como por ejemplo en grandes producciones sistemáticas en donde se puede presentar un tipo determinado de defecto. 2) Discontinuidades artificiales de morfologías "similares" a las esperadas. También difícil de aplicar. Se suele utilizar en casos de estudios cuidadosos de las condiciones de ensayo. 3) Reflectores en forma de disco circular plano. Usualmente se utilizan orificios de fondo plano de distintos diámetros para obtener los resultados como una aproximación que dependerá de cuán alejado estemos de la realidad del defecto en estudio. En general las discontinuidades naturales tienen superficies rugosas e irregulares lo que dará indicaciones de menor altura que un disco circular con igual superficie de reflexión por lo que el tamaño de una discontinuidad natural pequeña será igual o mayor que la de un disco circular perpendicular al haz sónico presente en la misma muestra y cuyos ecos sean de igual altura. Una técnica muy usada que compara el tamaño de una heterogeneidad con discos circulares planos es la que emplea los Diagramas AVG.

Diagramas AVG Estos diagramas son una recopilación de respuestas de discontinuidades de referencia de distintos diámetros y a distintas distancias. Intervienen las variables: A : distancia del palpador a la discontinuidad (ordenada del diagrama ; escala logarítmica). V : ganancia( abcisa en el diagrama; escala decimal e invertida) G : diámetro de la discontinuidad de referencia o equivalente (curvas del diagrama). La curva que está indicada con ∞ (infinito) corresponde a la respuesta de una discontinuidad de tamaño infinito (con respecto al tamaño del diámetro del palpador) y es el eco de fondo de la pieza. Con estos diagramas lo que se obtiene es que :

La discontinuidad en estudio tiene una respuesta similar a la de un disco circular plano (orificio de fondo plano) de un determinado diámetro.

Existen Diagramas particulares (Fig. 84) para cada palpador en general dados por el fabricante y que son los normalmente usados y un Diagrama general (o normalizado) que es adimensional (Fig. 85). En el Diagrama general A (adimensional) es la distancia a la discontinuidad dividido el campo cercano del palpador que se utilice; G (adimensional) es el diámetro de los discos planos de referencias dividido por el diámetro del palpador utilizado.



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La zona izquierda del diagrama es la región de incertidumbre del campo cercano por lo que no es posible trabajar allí. Los pasos del procedimiento son los siguientes: a) Se elige un reflector de referencia. Este puede ser el fondo de la pieza el de la probeta u orificios de fondo plano de un determinado diámetro. b) Se calibra el equipo con un rango de trabajo de acuerdo a las distancias antes elegidas. -Se fija con la ganancia la ATP adecuada para el eco de la discontinuidad de referencia y se anota dicho valor. c) Con la distancia a la discontinuidad de referencia se entra en el diagrama hasta cortar la curva que corresponda a la misma (∞ ) si la referencia es el fondo de la pieza). Este será el punto que representa su respuesta. Moviéndose sobre la horizontal hasta el eje de ordenadas se lee el valor de la ganancia que corresponde a este punto sobre el diagrama. d) Con la misma calibración hecha en b) se busca el eco máximo de la discontinuidad en estudio y con la ganancia se lo lleva hasta la misma ATP que fue fijada en b) para la discontinuidad de referencia. Se anota la diferencia de dB. e) Sobre el diagrama y con la distancia de la discontinuidad real se traza una vertical hasta interceptar a una horizontal que se obtiene de sumar o restar al punto de referencia los dB hallados en d). Este nuevo punto así hallado representa a la discontinuidad real y la curva G que lo intercepte nos dará el diámetro equivalente de un orificio de fondo plano que tendrá una respuesta semejante a la de la discontinuidad real. Se darán a continuación ejemplos de usos de los diagramas AVG: Ejemplo 1- a : Diagrama particular. Datos:- Pieza a ensayar: barra de acero forjado de 200 mm de diámetro y 250 mm de longitud. Palpador : Krautkr5amer B2 S-N Serie D Discontinuidad de referencia: eco de fondo (250 mm) Eco de fondo a 80 % ATP : 26 dB (equipo) Eco de fondo : 11 dB(diagrama) Eco del defecto se observa a : 200 mm de profundidad - Eco del defecto llevado a 80% ATP :40 dB (equipo) Diferencia de ganancia (en equipo) : 40-26= + 14 dB e) - En el diagrama : 11 + 14 = 25 dB Subo con 200 mm (profundidad del defecto) hasta 25 dB dando un defecto equivalente de 8 mm de diámetro. Ejemplo 1- b: Diagrama particular Datos: Pieza a ensayar: barra de acero forjado de 200 mm de diámetro y 250 mm de longitud. Palpador : Krautkrämer B2 S-N Serie D a) - Discontinuidad de referencia: orificio de ∞ = 8mm - Profundidad : 500 mm b) - Eco de referencia. a 80 % ATP : 36 dB (equipo) c) - Eco de referencia : 40 dB(diagrama) d) - Eco del defecto se observa a : 300 mm de profundidad - Eco del defecto llevado a 80% ATP : 46 dB (equipo) - Diferencia de ganancia (en equipo) : 46-36= + 10 dB e) - En el diagrama : 40 + 10 = 50 dB



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- Subo con 300 mm (profundidad del defecto) hasta 50 dB dando un defecto equivalente de 2.8 mm de diámetro (aprox.). Nota: en el punto d) la diferencia de ganancia (en equipo) podría ser negativa si el eco del defecto sobrepasara el 80% de la ATP . En este caso en el punto e) en el diagrama se deberá restar ( y no sumar) los dB al valor antes obtenido.

Fig. 84: Diagrama particular.

Ejemplo 2: Diagrama general ( o normalizado). a) - Discontinuidad de referencia: eco de fondo (100 mm) - Campo cercano del palpador utilizado : 10 mm - Diámetro del palpador : 10 mm

1010100tan

1 ===palpadordelcercanocampo

fondodeecoalciadisA

b) - Eco de fondo a 80 % ATP : 40 dB (equipo) c) - Eco de fondo : 15 dB(diagrama) d) - Eco del defecto se observa a : 50 mm de profundidad

51050

2 ==A

- Eco del defecto llevado a 80% ATP : 54 dB (equipo) - Diferencia de ganancia (en equipo) : 54-40 = + 14 dB e) - En el diagrama : 15 + 14 = 29 dB - Subo con 5 (profundidad del defecto) hasta 28 dB dando G = 0.3 El defecto equivalente será:

mmequivaledefectopalpadordefecto

G 3103.0 =∗=∞→=φφ



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Fig. 85: Diagrama general.

Método DAC Descripción de reflectividades: Para describir reflectores desconocidos de sección menor que la del haz, generalmente se compara la altura del eco que genera éste con el eco de un reflector artificial de forma y tamaño conocido ( eco de referencia). Para relacionar las alturas de ambos ecos se puede utilizar diferentes formas que se explicarán con el siguiente ejemplo: 1) Descripción de alturas de ecos.: supongamos que se haya colocado el eco de fondo ( Pos. 1)

a 80% ATP y que a continuación se haya localizado un defecto que con la misma amplificación alcanza tan solo el 40% ATP (Pos.2)



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Fig. 6.1. : Comparación de reflectividades. La diferencia de reflectividades se puede expresar de tres formas. 1.1 Relación de alturas de ecos (H2 / H1)

5,021

%80%40

1

2 ===HH

En otras palabras el eco referido tiene la mitad de la altura del eco de referencia. 1.2 Diferencia entre alturas de ecos (∆H) en dB. Según una convención se define la diferencia entre dos alturas de ecos expresada en dB por el logaritmo de la relación de altura entre ambos multiplicada por 20

1

2log.20HH

H =∆

en este caso es:

dBH 680

40log.20 −==∆

lo que indica que el eco comparado tiene una altura 6 dB menor (−) que la del eco de referencia. 1.3 Diferencia de amplificación ( ∆V) en dB Para determinar la diferencia de amplificación ∆V, se coloca, mediante el mando de amplificación, el eco a evaluar a la misma altura de pantalla, como la del eco de referencia y se comparan los valores.

defecto Pared posterior (reflector de referencia)

1 2

Eco de referencia Eco del defecto



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Gk = Amplificación del equipo correspondiente al eco de referencia Gf= Amplificación del equipo correspondiente al eco a comparar ( o del defecto) a la altura de referencia ∆Vf:= Diferencia de amplificación.

∆Vf:= Gf −Gk En este caso podría ser Gk = 16 dB y Gf = 22 dB por lo que ∆Vf:= 22 −16 = + 6 dB. Lo que indica que la amplificación del equipo ha tenido que ser aumentada (+) en 6 dB para que el eco del defecto alcanzara la altura de referencia. Como se ve, los valores de ∆H y ∆V se diferencian solamente en el signo:

∆H = −∆V

2) Comparación directa de reflectividades- Método DAC ( Distancia – Amplitud – Corrección) Este método se basa en bloques de comparación que deben tener una geometría y ser de un material similar al objeto de ensayo. Estos bloques tienen reflectores artificiales de determinada forma y tamaño ( reflectores de comparación). De acuerdo a la geometría del objeto de ensayo se hallan determinadas en especificaciones y Códigos las medidas específicas de los bloques de comparación. En la mayoría de los casos se utilizan agujeros transversales como reflectores de comparación. 2.1 Procedimiento según el método DAC. 1) Ajuste el equipo en recorrido o dpa. 2) Construcción de la línea de referencia Para ello se generan ecos de los reflectores de comparación sin variar la amplificación del equipo, uniendo los picos de los ecos. De esta forma se obtiene la línea de referencia ( Fig. 6.2)

GK

Referencia Comparación

GF



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Fig. 6.2. Curva DAC A continuación se anota el valor de amplificación del equipo ( Gk) con la que se construyó la línea de referencia. 3) Corrección de transferencia ∆V T Se puede dar el caso que el objeto de ensayo tenga una superficie de peores condiciones que el bloque de referencia o que su estructura sea diferente. Para compensar estos efectos se realiza una corrección de transferencia. Para ello hay que determinar previamente las pérdidas de sensibilidad ∆VT al pasar de un cuerpo al otro. Determinación de ∆V T Para ello se generan con dos palpadores del mismo tipo, las indicaciones de transmisión en V, colocándolas a la misma altura de la pantalla ( FIG 6.3)

FIG 6.3 Determinación de ∆VT

Se anotan las dos amplificaciones del equipo GT1 y GT2 a partir de las cuales se determina la corrección de transferencia:

d2 d1

E R E R

Bloque decomparación

Objeto de

GT1

80% ATP

GT2



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∆VT = GT1 − GT2 Condición: d1 = d2

Esta diferencia contiene las pérdidas ocasionadas por diferencias de superficie y en parte por diferencia de atenuación. 4) Amplificación adicional ∆V T (dB) Puede darse el caso que se quiera registrar con una mayor sensibilidad (∆V) que la correspondiente al reflector de comparación. 5) Sensibilidad de registro G R (dB) La sensibilidad de registro se obtiene de las suma:

GR = GK + ∆∆VT + ∆∆V 6) Descripción de reflectores. Todos los reflectores que llegan a la línea de referencia o la sobrepasan con la amplificación GR deben registrarse, determinándose la diferencia con respecto a la línea de referencia ∆HF en dB. En este caso el valor ∆HF también suele llamarse sobrepaso del límite de registro.



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3.8. CONSIDERACIONES EN LA CONSTRUCCION DE PIEZAS Cuando una pieza deberá ser ensayada ultrasónicamente por ejemplo por seguridad se deberá tener en cuenta esto desde su proyecto. Tanto en los materiales provistos como en la manufacturación y procesos de maquinado los posibles eventuales defectos y su posicionamiento pueden ser previamente estimados en la mayoría de los casos por lo que deberían ser consideradas áreas adecuadas para el acoplamiento geometrías acústicas simples para una evaluación fácil de los resultados del ensayo. Ecos causados por la geometría de la pieza o por conversión de ondas pueden ser evitados con geometrías adecuadas. Sin embargo hoy en día, estos requerimientos no son satisfactoriamente considerados haciendo frecuentemente que el ensayo sea dificultoso, caro y hasta imposible de realizar.

3.9. PROCEDIMIENTOS GENERALES DEL ENSAYO ULTRASONICO Las técnicas de ensayo, las cuales se encuentran en especificaciones y reglas, son los resultados obligados de los procedimientos que se mencionan más adelante. En muchos casos será necesario un diagrama en escala.

Principio básico: La respuesta a la dirección de propagación del sonido en el arreglo de ensayo, depende de la existencia del defecto.

En muchos casos, el defecto en la pieza es conocido ( por ejemplo piezas reclamadas por haber sufrido corte o quebradura) o pueden ser, al menos estimada (área , forma , orientación) considerando las propiedades del material y los procesos sufridos. La determinación de la dirección necesaria del haz sónico se debe efectuar desde la posición del defecto hacia la superficie; mientras que en un defecto volumétrico, principalmente aquellos esféricos, hay libertad en la elección de la dirección, un reflector cilíndrico podrá ser hallado desde todas las direcciones perpendiculares al eje del cilindro. Existen mayores restricciones para un reflector plano el cual será detectable solamente desde una dirección (y la opuesta respectiva) perpendicular a su superficie o por la técnica en tándem ( dos palpadores, uno emisor y el otro receptor). Las direcciones del sonido dependen obligatoriamente de estas consideraciones. La siguiente consideración es que el área de interés de la superficie sea accesible para un adecuado acoplamiento. Si esto se da, la técnica de ensayo puede ser directamente deducida: según el ángulo con la superficie, incidencia del sonido perpendicular u oblicua; se pueden usar técnicas por contacto directo o por inmersión, en caso de la técnica de contacto y camino sónico corto, palpadores de doble cristal. Cuando se usa incidencia oblicua puede ser necesario calcular, dependiendo del material, los ángulos por medio de la ley de refracción ( ver 1.422, (11)). En la técnica de inmersión se debe tener cuidado de asegurarse que el tiempo de recorrido del sonido en el líquido nunca será menor que en la pieza para evitar ecos múltiples de interferencia en el rango de ensayo (ver 3.5). Cuando el área determinada para el ensayo sea inaccesible, o cuando exista peligro de indicaciones aparentes dentro del rango de ensayo, se buscarán otras técnicas. Se deberán considerar las siguientes posibilidades: 1.Si el área de la superficie es inaccesible, excepto que se puede llegar a la zona de interés por otra dirección del sonido (zig-zag) , podrán ser aplicadas las reglas de reflexión para encontrar una nueva dirección la cual guíe a otra área de la superficie. 2.Elección de una dirección diferente del sonido, bajo circunstancias de no perpendicularidad al defecto. En caso de defectos cercanos a la superficie, se puede utilizar el efecto de borde como el descrito en 2.3321, Fig. 40, en donde ambas direcciones delantera y trasera de la onda ultrasónica casi coincide, lo cual permite el uso de un solo palpador.



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3.Si el efecto de bordes no puede ser utilizado, se podrá también encontrar oblicuamente un plano del defecto en el cual se reflejará según las leyes de reflexión (1.422). La dirección perpendicular al plano del defecto es, en este caso, la bisectriz del ángulo. Esta técnica de ensayo es conocida como " técnica en tándem", y generalmente requiere dos palpadores separados, uno emisor y el otro receptor . Las consideraciones ya mencionadas para la superficie deben ser, en este caso, tenidas en cuenta para cada palpador. 4. En casos de defectos con una fuerte dispersión se puede usar un arreglo semejante al indicado en 3 pero asimétrico. Esto es también llamada "técnica delta" que consta de un palpador transmisor y otro receptor separados. Frecuentemente serán posibles varios arreglos de ensayo. En estos casos se recomienda seguir preferentemente lo que se describe a continuación: 1.Los defectos planos serán detectados perpendicularmente: técnica de ensayo simple y fácil de inspeccionar con un palpador. 2.Relacionado a la superficie de la parte bajo ensayo: en muchos casos el uso de palpadores normales (vertical) es más simple que el de los palpadores angulares, por lo que se los preferirá. 3.En lo posible se usará un camino sónico recto sin cambios de dirección dentro de la pieza. 4.Serán más favorables las técnicas de ensayos con un solo palpador por ser, generalmente, más simples que en tándem o delta. 5.Darán mayor seguridad y confianza los arreglos de ensayos en los cuales aparezca un eco de referencia en el fondo del rango de ensayo ( por ejemplo pared posterior o eco de un borde ). 6.Se deberán evitar los arreglos de ensayos que den indicaciones aparentes ( ver 3.32 y 3.62). 7.Por razones económicas, el volumen de la pieza a ensayar será el mayor posible al mismo tiempo que el área de inspección lo más pequeña que se pueda. 8.Cuando la orientación del plano de un defecto es desconocido, el ensayo deberá llevarse a cabo desde distintos sitios de la superficie. Ejemplo: defectos planos en barras: inspeccionar desde varias generatrices. 9.El método de transmisión será usado solamente en los casos cuando el método de pulso-eco falle. Esta compilación contiene los más importantes puntos de vista para juzgar las soluciones a los distintos problemas de ensayos ultrasónicos. Con una poca experiencia se reconocerá fácilmente la técnica óptima de ensayo. Existe también un gran número se especificaciones, los que podrán ser aplicados por analogía en piezas similares, y los que facilitarán la solución de problemas.

Bibliografía


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Bibliografía: “ Introducción a los Métodos de Ensayos No Destructivos”. Instituto Nacional de Técnica Aero Espacial (Madrid). “ Ultrasonic Testing ” Dr. Ing. Volker Deutsch and Manfred Vogt “ Ultrasonic testing of Materials “ Krautkrämer ASM Handbook Vol 17 Normas ASTM Normas IRAM- CNEA CNEA Código ASME Sección V CNEA Y 500- 1 002

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