ULTRASONIDO

1. INTRODUCCION.Los ultrasonidos son ondas acsticas, de idntica naturaleza que las ondas snicas, diferencindose de estas en que su campo de frecuencias se encuentra por encima de la zona audible. Por los fenmenos que provocan en su propagacin en los slidos, lquidos y gases, han dado lugar a numerosas aplicaciones tcnicas y cientficas, entre ellas el control de calidad de los materiales estructurales (aplicacin como ensayo no destructivo) para la deteccin de heterogeneidades (defectologa), determinacin de sus propiedades caracterizacin) y medida de espesores (metrologa).

2.- NATURALEZA Y PROPIEDADES DE LAS ONDAS ULTRASNICAS.Ya hemos definido las ondas ultrasnicas como ondas acsticas de idntica naturaleza (mecnica o elstica) que las ondas snicas, pero que operan a frecuencias superiores a las de la zona audible del espectro acstico (figura 1).

Las frecuencias utilizadas en los ensayos ultrasnicos, para el control de heterogeneidades en los materiales, se extienden (para inspecciones tpicas) entre 0'5 MHz y 25 MHz. Gran parte de las propiedades de las ondas acsticas no dependen de la frecuencia, por lo que son comunes, tanto a Ias ondas snicas como a las ultrasnicas.En principio las ondas ultrasnicas pueden propasarse dentro de todos los medos donde existan tomos o molculas capaces de vibrar, por lo que tendrn lugar tanto en gases, lquidos y slidos.Sin embargo, algunos materiales que tienen un fuerte poder de absorcin, a causa de la transformacin de energa vibratoria en calor, por lo que no todo material ser apto la propagacin de dichas ondas.La propagacin de la onda ultrasnica, en mediante una oscilacin sinusoidal al igual que una oscilacin elstica de una partcula de material (figura 2).

3.- PARMETROS.A continuacin definimos algunos parmetros de la onda ultrasnica:Frecuencia (f): Es el nmero de oscilaciones de una partcula dada por segundo.ongitud de onda (k): Esta distancia entre dos planos en que las partculas se encuentran en el mismo estado de moviVelocidad acstica (C): Es la velocidad de propagacin de la onda para una condicin dada por ejemplo: una zona de compresin.Amplitud de Oscilacin (A): Es el desplazamiento mximo de una partcula de su posicin cero.Presin Acstica (P): En los puntos de gran densidad de partculas, la presin es tambin mayor que la presin normal, mientras que en las zonas dilatadas es menor.Velocidad instantnea de vibracin (V): Es la propia de la partcula en su movimiento oscilatorio.4.-MODOS O TIPOS DE ONDAS.Ya hemos visto que podemos imaginar la oscilacin sonora como un movimiento de las partculas dentro del material. Los tipos de ondas existentes son los siguientes: (figura 3)

Onda longitudinal: Es aquella en que las oscilaciones tienen lugar en la direccin de propagacin de la onda. Debido a que en ellas estn activas fuerzas de comprensin y dilatacin, se denominan tambin ondas de presin o compresin.

Onda transversal: Si el medio es capaz de transmitir esfuerzos de cizlladura, lo que ocurre en la mayora de los cuerpos slidos, las partculas pueden oscilar tambin en direccin transversal a la de propagacin de la onda, originndose as las ondas transversales.

Ondas de superficie o de Rayleigh: Las ondas de superficie o de Rayleigh se propagan solamente en la periferia plana o curva de un slido semi-infinito, siguiendo las irregularidades de la superficie o contorno del mismo. Se puede considerar como un tipo especial de onda transversal.

Ondas de lamb: Si el slido semi-infinito se reduce en espesor, se obtiene una chapa en la que la onda puramente de superficie ya no puede existir como tal, a no ser que su longitud de onda sea considerablemente inferior. Cuando el espesor es del mismo orden que la longitud de onda, se producen varios tipos de ondas de chapa, que presentan, siempre componentes de la oscilacin de partculas en ngulo recto a la superficie.

Los dos tipos bsicos de, estas ondas de chapa o de lamb son:- Onda simtrica o de dilatacin.- Onda asimtrica o de flexin.

A diferencia de lo que ocurre con las ondas longitudinales, los gases y los lquidos, son prcticamente incapaces de transmitir ondas transversales.Ambos tipos de ondas las longitudinales y las transversales, son ondas ideales ya que pueden producirse nicamente en medios infinitos. Si el medio es limitado, se producirn reflexiones en las superficies y como consecuencia las alteraciones producidas en su propagacin por fenmenos de reflexin y refraccin, dan lugar a la aparicin de otros tipos de ondas.

6.- GENERACIN Y RECEPCIN DE LAS ONDAS ULTRASNICAS.

Para la generacin y recepcin de ondas de presin, se utilizan diferentes sistemas. El ms corriente es el del altavoz para emitir y el micrfono para, recibir. Para nuestro objetivo al generar y emitir ondas ultrasnicas, necesitamos un elemento que nos sirva al mismo tiempo de generador y receptor, esto podremos conseguirlo mediante materiales que presenten el efecto 'Piezoelctrico'.Este efecto consiste en que cuando un material piezoelctrico se deforma, mediante una presin mecnica externa, aparecen ms cargas elctricas en su superficie. El fenmeno inverso, consiste en que si este material se coloca entre dos electrodos, cambia su forma s se aplica un potencial elctrico.

Al primer efecto se le denomina "efecto piezoelctrico directo" emplendose para medir presiones, deformaciones y oscilaciones, es decir, en nuestro caso como emisor de ultrasonidos, al segundo efecto se le denomina "efecto piezoelctrico recprocos y se utiliza para producir o generar presiones, deformaciones y oscilaciones o lo que es igual, como generador de ultrasonidos.

Para la obtencin de ondas ultrasnicas por impulsos, el cristal piezoelctrico se excita mediante choques.o impulsos (tiempos de actuacin de la excitacin muy cortas). Para evitar que su propagacin se prolongue excesivamente; o lo que es lo mismo que los impulsos resulten demasiado largos, se adosa a una de las caras del oscilador un material de gran poder de amortiguacin. La otra cara del oscilador se aplica bien directamente sobre la pieza de ensayo o por intermedio de un material plstico protector. Esto permite obtener impulsos de pocas vibraciones.

Cuando se emplea el mtodo de transmisin para el cual no son siempre adecuados Impulsos cortos, se puede prescindir de la amortiguacin artificial.

A continuacin trataremos de establecer las ventajas ms importantes y ms comnmente utilizados:Cuarzo (SIO2): Es mal emisor, resistente a la temperatura, al envejecimiento y al desgaste.Sulfato de litio (S04Li): Es mejor receptor que el cuarzo, tiene buen poder de resolucin y no es utilizable a ms de 75C.Titanato de bario (TiO3Ba): Es el mejor emisor, tiene mal acoplamiento y amortiguacin debido a su alta impedancia acstica y trabaja a frecuencias menores de 15MHz.Metaniobato de plomo (MB2O6Pb): Es buen emisor, resistente a la temperatura y su utilizacin est limitada a frecuencias altas.

7.- COMPORTAMIENTO DE LAS ONDAS ULTRASNICAS EN SUPERFICIES LIMITES.

En la propagacin de la onda acstica, se considera "superficie lmite", a aquella que separa dos medios con propiedades elsticas diferentes. Es evidente que si un material se encuentra rodeado de un espacio vaco, no puede transmitir ningn tipo de onda acstica y la onda retorna de un modo y otro. Si otro material se encuentra adherido al primero, la onda acstica se propagar, si bien ms o menos alterada en direccin, intensidad y modo.

7.1.- Incidencia perpendicular o normal.

Si una onda acstica plana incide perpendicularmente sobre una superficie plana que separa dos medios diferentes, una parte de la energa de la onda se refleja y vuelve en la misma direccin de la incidente y otra parte se propaga en el segundo medio manteniendo su direccin y su sentido.Si li es la intensidad de la onda incidente, Ir la de la reflejada, It la transmitida y Z1 Y Z2 las respectivas impedancias acsticas de los dos materiales, lo anteriormente expuesto queda expresado en la figura 4.As por ejemplo en la figura 6, se aprecia el desdoblamiento que sufren, tanto la onda reflejada corno la transmitidas en una onda longitudinal y otra transversal resultando que tina onda incidente da lugar a cuatro ondas cuando los dos medios son cuerpos slidos.

A continuacin vamos a estudiar las leyes de la refraccin:Las direcciones de las ondas reflejaseis y transmitidas viene dadas por la ley general siguiente:

Siendo 1 y 2 dos ondas cualquiera con velocidades acsticas C1 y C2.Se observa en primer lugar que si la onda incidente y la reflejada son del mismo tipo, forman el mismo ngulo con la normal a la superficie lmite i = r ya que poseen la misma velocidad acstica.Dado que la velocidad de las ondas transversales es menor que la de las longitudinales, los ngulos de reflexin o de refraccin de las ondas Iongitudinales sern mayores que los ngulos respectivos de reflexin o de refraccin de las ondas transversal es. (rL > rT ; tL > tT).En los cuerpos slidos se puede hacer desaparecer aisladamente la onda longitudinal refractada en el medio 2, transmitindose exclusivamente a onda transversal, con lo que el ensayo se simplifica. Esto se puede conseguir mediante la reflexin total de la onda longitudinal refractada. La conclusin lmite para seguir este efecto se obtendr cuando tL= 90 es decir con los siguientes ngulos; de incidencia crticos

De acuerdo con este proceso, se puede tambin lograr que la onda transversal transmitida en el medio 2, alcance el caso lmite de la reflexin total as decir tl= 90. Los ngulos crticos, de incidencia, sern en este caso:

En este caso lmite las ondas transversales, no se propagaran como tales, sino como, ondas de superficie. En la prctica este efecto se aprovecha para generar ondas de superficie, si bien se obtiene la mxima energa de transmisin con un ngulo de incidencia ligeramente mayor que el ngulo crtico.A continuacin se expresan las leyes de reflexin y refraccin para los dos casos: onda incidente longitudinal y onda incidente transversal.

8.- GEOMETRIA DEL HAZ ULTRASONIDO.Debido a la superposicin de fenmeno de difraccin y de efecto de los bordes, se produce en la onda plana, en su proximidad al oscilador, un campo con mximos y mnimos de presin acstica, es decir un fenmeno de interferencia del campo ultrasnico, similar al producido detrs da un diafragma, segn el principio de Huygens (figura 7).

La relacin entre el dimetro del oscilador D y la longitud de onda , determina la extensin del campo de interferencia y el nmero de mximos y mnimo de presin acstica.En la direccin de propagacin de la onda, existe un ltimo mximo localizado en el eje, es decir el mximo principal.Este ltimo mximo de presin acstica determina el fin del campo de interferencia, tambin denominado campo prximo en contraste con el campo continuo, libre de interferencias denominado campo lejano.Otra definicin de campo prximo y campo lejano sera:

8.1.- Campo prximo.Inmediatamente a continuacin del cristal piezoelctrico, se encuentra el campo prximo "N" con una forma prcticamente cilndrica y que se define como la distancia que existe desde el cristal del palpador hasta un punto en el cual un receptor de muy pequeo tamao, proporciona su mxima reflexin y por tanto su mxima altura de eco.La longitud del campo prximo viene dada por:

Pero para longitudes de onda muy cortas comparadas con el dimetro del oscilador, se pueden despreciar y nos queda:

R = radio osciladorS = superficie8.2.- Campo lejano. (figura 8)A continuacin del campo prximo se encuentra el campo lejano, que es donde la presin sonora decrece de forma progresiva. Tiene forma cnica, la cual queda definida por la divergencia del haz o sea el ngulo que de acuerdo con la teora de difraccin viene dado por

En los materiales slidos, estas hiptesis simplificadas no tienen en cuenta los varios; tipos de onda que, por ejemplo acompaan a una onda longitudinal, tales como ondas transversales y de superficie, y que pueden dar lugar a dificultades en determinada; circunstancias.

8.3.- Eco y sombra de un obstculo en un campo ultrasnico.

Cualquier heterogeneidad que pueda estar presente en un material constituye un obstculo para una onda acstica, cuya presencia se pondr de manifiesto por su "eco" cuando se emplea el mtodo de "eco" o por su sombra", si se aplica el mtodo de transmisin.

Si la heterogeneidad es grande y tiene una forma regular, se podr obtener de su eco o de su sombra informacin suficiente que permitir, basndose en conceptos geomtricos pticos, determinar sus caractersticas. Sin embargo lo ms frercuente es que las heterogeneidades naturales sea lo suficientemente pequeas, que den lugar a fenmenos de interferencia, tanto en el eco como en la sombra

Estos fenmenos dependern del tamao de la heterogeneidad, pero no a su tamao real, sino al referido a la longitud de onda que se utilice.En este sentido se pueden clasificar los obstculos en tres categoras:Obstculo muy pequeo en relacin con la longitud de ondaObstculo del mismo orden de tamao que la longitud de onda (obstculo pequeo).Obstculo grande en relacin con la longitud de onda.

Como se ha visto al tratar de los posibles defectos o heterogeneidades que pueden encontrarse en una unin soldada, estos pueden ser de morfologa muy variada, por lo cual no es fcil determinar su tamao mediante clculo. No obstante en primera aproximacin, se pueden aproximar a una discontinuidad de forma circular cuyo plano es perpendicular al haz de ultrasonidos. En la prctica se utilIzan para este fin taladros de fondo plano.

Al mismo tiempo se ha de tener en cuenta que las heterogeneidades naturales preseman superFicies irregulares y rugosas y que, adems, no siempre su superficie reflectante! principal es perpendicular al haz de ultrasonidos, razn por la cual, darn lugar, en la prctica, a ecos o seales menores que las que se obtengan de la discontinuidad ideal de seccin circular. En otras palabras, el tamao de una heterogeneidad natural, ser igualo mayor que el de un taladro de fondo plano que de un eco de igual amplitud.

Cuando se trate de un obstculo mayor que la seccin del haz (figura 9), podremos aplicar para su examen el mtodo de Eco o el de transmisin. En el primer caso, cuando se coloque el palpador sobre una zona de la pieza que no tenga defecto, se obtendrn en la pantalla del T.R.C. varios ecos de fondo separados entre si distancias que ser equivalentes al espesor del elemento. Si se pone el palpador sobre una zona en la que hay defecto toda la presin acstica se reflejar en la hoja, con lo cual desaparecern los ecos de fondo y aparecern los ecos correspondientes: a la heterogeneidad. En el momento en que se coloque el palpador exactamente sobre el borde de la discontinuidad, una parte del haz ser reflejada por la pared posterior del elemento y otra por la discontinuidad apareciendo en pantalla los ecos correspondientes a cada una de ellas.

En caso de aplicarse el mtodo de transmisin la seal desaparecer y aparecer cuando nos salgamos del defecto.Cuando se trata de defectos menores que la seccin del haz, el problema es, ms complejo. En este caso (figura 9) a) el defecto quedar dentro del haz, obtenindose una disminucin del haz en la seal transmitida (transmisin) que depender de las dimensiones del defecto. Si se emplea el mtodo de eco, se obtendrn simultneamente ecos que precedern tanto del defecto, como de la parte en que no los hay. Dichos ecos aparecern en pantalla, en consonancia con la distancia a que se encuentre el defecto y la pared posterior. La profundidad a que se halle el defecto pueda determinarse en funcin de la posicin que ocupe el eco intermedio, cuya altura nos proporcionar informacin acerca de su tamao al ser comparada con la altura del eco de fondo y tener en cuenta la ley que relaciona la variacin de la altura de los ecos con la distancia entre el defecto y el palpador.

8.4.- Atenuacin de las ondas ultrasnicas en los slidos.

En funcin de lo visto hasta ahora, la atenuacin de la presin acstica se deba nicamente como consecuencia de la divergencia del haz sin embargo los materiales slidos, dan lugar a amos efectos ms o menos pronunciados, de atenuacin que se traducen en una debilitacin de los ultrasonidos, debido a dos causas: la dispersin y la absorcin.

La dispersin es debida a que los materiales no son estrictamente homogneos. Contienen superficies lmites o entrecaras pequeas (heterogeneidades, fases en la estructura cristalina de los metales, lmites de grano, etc) en las que la impedancia acstica cambia bruscamente, debido a la diferente densidad o velocidad acstica de los materiales, de naturaleza, condicin o estado diferentes en dichas entrecaras.

La absorcin es una condicin directa de la energa acstica en calor. Se puede explicar la absorcin de una forma elemental, como un efecto de frenado de la oscilacin de las partculas, lo cual explicara tambin por qu una oscilacin rpida pierde ms energa que una oscilacin lenta. La absorcin .aumenta generalmente con la frecuencia pero en menor grado que la dispersin.

Ambas prdidas limitan las posibilidades de los Ensayos no destructivos, pero segn dos vertientes:

- La absorcin pura debilita la energa transmitida o la amplitud del eco, tanto de la heterogeneidad como del eco de fondo. Para contrarrestar este efecto hay que incrementar la tensin de emisin y la amplitud o recurrir al empleo de frecuencias ms bajas.- La dispersin es mucho m!3 pl9rturbadora, ya que en el mtodo de impulso-eco no slo reduce la amplitud del eco de la heterogeneidad y la del eco de fondo, sino que, adems, produce numerosos ecos parsitos con difenrentes recorridos (csped) en los que los: verdaderos ecos pueden quedar enmascarados. El nico medio de contrarrestar este efecto de csped es emplear frecuencias ms bajas, lo cual establece un Irmite natural e insuperable para la deteccin de heterogeneidades pequeas.

9.- FRECUENCIA DE EXCITACIN Y DIMENSIONES PTIMAS DE CRISTAL PIEZOELCTRICOS.El haz ultrasnico en virtud de su frecuencia, relativamente elevada, posee propiedades claramente direccionales, de manera que puede ser enfocado en la direccin deseada. Esta directividad es tanto unas acusada cunto mayor es el dimetro del cristal del emisor. En la figura 10 se observa la influencia de la frecuencia de excitacin y del dimetro del cristal plezoelctrico sobre los parmetros la tener en cuenta en la realizacin de un ensayo: longitud del campo prximo (M), divergencia del haz (y), penetracin (P) y sensibilidad (S).

10.- COMPOSICIN DEL EQUIPO DE ULTRASONIDOS.El equipo necesario para llevar a cabo una inspeccin ultrasnica est compuesto por: el equipo generador y receptor de impulsos y el palpador (o palpadores).

10.1.- Equipo generador y receptor de impulsosDada la gran diversidad de aplicaciones de los ultrasonidos, no es posible disear un equipo que pueda satisfacer las exigencias propias de cada una de ellas, existiendo por tanto una gran variedad de equipos. Por cunto a su aplicacin en el campo de los Ensayos no destructivos, segn la finalidad del ensayo, los equipos sern distintos entre s.Si tenemos en cuenta los dos mtodos tpicos de pulso - eco y transmisin, un esquema bsico de un equipo de ultrasonidos sera el de la figura 11.

Tal y cmo se muestra en el esquema de la figura el equipo de ultrasonidos, est constituido bsicamente por:

- Sistema de sincronismo: que cumple las siguientes funciones: Generar la tensin de reflexin horizontal (Generador de barrido de la base de tiempos, mando de distancias), generar la seal de sincronizacin para la emisin de impulsos de alta frecuencia (frecuencia de repeticin de impulsos) y controlar la luminosidad del pincel electrnico.- Generador de alta frecuencia: Esta unidad genera los impulsos elctricos de alta energfa al recibir la seal de sincronizacin producida por el sistema de sincronismo. La seal de emisin o Inicial se produce al enviar el generador al amplificar una fraccin de energfa muy reducida del impulso elctrico transmitido al emisor, de manera que el punto de arranque de sta serial es el origen de tiempo de la pantalla- Amplificador: su misin es amplificar da seal que los impulsos acsticos generan cuando llegan al receptor hasta el valor requerido para el funcionamiento del T.A.C. El amplificador est controlado por el mando de ganancia.Sistema de representacin: el sistema de representacin ms frecuentemente utilizado es el tubo de rayos catdicos T. A. C. con pantalla de tipo A en la que las indicaciones aparecen como deflexiones verticales de la base de tiempos. Existen otros sistemas de representacin pero que sern aplicables a las inspecciones automticas.

10.2.- Palpadores.

El efecto piezoelctrico es el ms utilizado para la generacin y recepcin de las ondas ultrasnicas, en su aplicacin a los mtodos de ensayo no destructivo, en especial por cuanto al examen de los materiales metlicos se refiere.Hemos visto que, las ondas longitudinales se generan mediante los osciladores piezoelctricos en forma de disco, de cristales o materiales cermicas polarizados y vibrando en la direccin de su espesor.Para estos ensayos, las ondas transversales, se generan, casi exclusivamente, aprovechando los fenmenos de transformacin o conversin de ondas que se producen al incidir una onda longitudinal oblicuamente a la superficie de la muestra a ensayos, de acuerdo con las leyes de la refraccin. Basndose en estos mismos principios se generan las ondas de superficie.

Esta es la razn fundamental para que existan dos tipos bsicos de palpadores:- de incidencia normal. - de incidencia angular.Siendo de la mayor importancia el diseo del oscilador, no lo es menos el del resto de los elementos que intervienen en la construccin del palpador para modificar sus caractersticas emisoras y receptoras, para lograr que su rendimiento y eficacia sean mximos para unas determinadas caractersticas y cualidades del haz de ultrasonidos. Se puede afirmar que, s bien el diseo del oscilador se apoya en estudios tericos, el del palpador responde a ms resultados de carcter experimental.

En la actualidad, existe una gran diversidad de tipos de palpadores, como consecuencia de la gran diversidad de tcnicas operatorias aplicables a los ms diversos y complejos casos de examen por ultrasonidos. En ste orden de ideas, se pueden clasificar los palpadores en dos grandes grupos: palpadores de contacto y palpadores de inmersin.A continuacin, describiremos los palpadores de contacto con incidencia normal y con Incidencia angular.

10.2.1.- Palpadores de incidencia normal.

Se emplean en inspecciones de pulso - eco, transmisin y resonancia y se aplican a problemas como: defectologa, metrologa y caracterizacin. Llevan incorporados oscilado res diseados para emitir ondas longitudinales.

Segn el nmero de cristales osciladores que lleven incorporados, se pueden considerar dos tipos.Palpador de cristal nico (emisor - receptor).

La figura 12 nos muestra el esquema de uno de estos palpadores. Se observa que adems del cristal piezoelctrico, a) consta de una caja o montura metlica, b) que protege el conjunto, el amortiguador del cristal, c) el hilo conductor elctrico, d) y la conexin.

El amortiguador, c) del cristal es un elemento indispensable en los equipos que operan por el mtodo de pulso - eco. Sus finalidades concretas son las siguientes:Reducir el tiempo de oscilacin del cristal. Absorber las ondas que pudieran interferir. Soportar mecnicamente el piezoelctrico.

De estas tres finalidades quiz la primera sea la ms importante porque la duracin del impulso acstico define la zona muerta del palpador, en la cual no ser posible detectar la presencia de heterogeneidades, porque las posibles indicaciones quedaran enmascaradas.

Palpador de doble cristal (uno emisor, otro receptor).

Este tipo de palpadores, trata de resolver el problema de la zona muerta que se presenta en los palpadores de un solo cristal, que impide o dificulta la deteccin de heterogeneidades prximas a la superficie de inspeccin.Estos palpadores constan de dos cristales perfectamente aislados (figura 13) elctricas acsticamente por una lmina de corcho o policloruro de vinilo.

Uno de los cristales acta solo como emisor y el otro como receptor. Ambos cristales se montan, con una cierta inclinacin, sobre una columna de plstico que produce un cierto efecto localizador, de forma que concentra el haz ultrasnico para conseguir mxima sensibilidad en las proximidades de la superficie.

- Palpadores angulares.Consisten en esencia, en un oscilador de ondas longitudinales aplicado a una de las caras de un prisma de plstico (generalmente perpex), tallado con un ngulo de incidencia adecuado al ngulo de refraccin o de penetracin que se desea para un determinado material.Los elementos de un palpador a igualar as cmo su disposicin son los que figuran en el esquema de la figura 14.

Teniendo en cuenta las leyes de la refraccin, se deduce que siempre que CL1 = C12 y CT1 = CL2, exista un ngulo de incidencia lmite por encima del cual dejan de coexistir los diferentes modos de onda en el medio 2, quedando solo la onda transversal, De otra parte, conociendo los valores de las velocidades acsticas, en cada uno de los materiales y el modo de onda existente en cada uno, es posible calcular los valores de estos ngulos de incidencia.

Refirindonos el caso de la inspeccin de uniones soldadas, ser preciso tener, en cuenta la superficie lmite perpex/material a inspeccionar, el objeto de encontrar los valores de los ngulos lmite para los cuales se propagaran ondas transversales en estos materiales. Y PREPARACION DE SUPERFICIE.Al realizar inspecciones por contacto, se hace imprescindible emplear un medio acsticamente conductor interpuesto entre el palpador y el objeto a inspeccionar. Este medio se suele llamar acoplante. Tambin influye en la consecucin de un buen acoplamiento acstico entre el palpador y la pieza, siendo por tanto necesaria una preparacin de las superficies antes de comenzar el examen.Como acoplantes suelen utilizarse los siguientes: Aceites, geles, acoplantes, soluciones jabonosas y agua (con agentes humectantes y correctores de dureza).El acoplante no ejercer accin alguna ,que pueda afectar al estado de la superficie de la pieza sometida a examen.Las superficies de la pieza debern estar lo suficientemente limpias y lisas para permitir, una buena transmisin ultrasnica entre el palpador y el objeto sometido a examen.En el caso de soldaduras Los palpadores ms corrientes, refirindonos al acero, se construyen para ngulos de refraccin de 35, 45, 60 y 70. A estos ngulos se les suele llamar ngulos de entrada.

11.- ACOPLANTES comprobacin es necesario calibrar el conjunto de: equipo palpador o palpadores y cables de conexin que vayan a ser utilizados. Las correspondientes especificaciones o cdigos aplicables establecern los requerimientos especficos y la periodicidad de cada calibracin.Para la realizacin prctica, tanto de la comprobacin del equipo como de la, calibracin del sistema, existen varios tipos de bloques o piezas, de referencia. En nuestro caso concreto de inspeccin de uniones soldadas, los bloques de calibracin que podrn ser utilizados, son los siguientes:-Bloque normalizado por el instituto internacional de la soldadura (IIS/IIW).-Bloque tipo ASME.-Bloques auxiliares para referencia.La figura 15 muestra el bloque V. las superficie; debern estar exentas de protecciones de, soldadura y de cualquier rugosidad que pueda interferir El libre movimiento del palpador o que pueda afectar al buen comportamiento de mismo.La superficie del cordn estar terminada de tal forma que no enmascaren o produzcan reflexiones que puedan ser confundidas con ecos producidos por discontinuidades.

12.- CALIBRACIN.Como operacin previa al proceso de inspeccin por ultrasonidos, es necesario proceder, en primer lugar a una comprobacin satisfactoria del estado de funcionamiento del equipo. Para ello debern comprobarse una serie de parmetros (linealidad vertical, proporcionalidad del control de amplificacin y la apertura del haz).Efectuada sta 1 del Instituto internacional de la soldadura, como ejemplo de un bloque de calibracin.

13.- TCNICAS OPERATORIAS.

En los ensayos por ultrasonidos de los materiales, las tcnicas operatorias vienen, establecidas principalmente por la naturaleza del problema y por la muestra de ensayo. En nuestro caso el fin es detectar discontinuidades (defectologa).

En relacin con los problemas de deteccin de heterogeneidades, las tcnicas operatorias deben adecuarse a la naturaleza, morfologa, orientacin, posicin y tamao de las mismas y muy especialmente en lo que respecta a su morfologa, orientacin y posicin.As mismo, las tcnicas operatorias, estarn supeditadas a las caractersticas de la muestra de ensayo: naturaleza y estado, forma, tamao, accesibilidad, condicin o estado de acabado y curvatura de la superficie de exploracin.

Se dispone, en primer lugar, de distintos modos o tipos de ondas: longitudinales, transversales, de superficie, de lamb, adems de la posibilidad de recurrir a ensayos con incidencia normal o angular a la superficie de la muestra. Hemos visto la posibilidad de operar segn los mtodos de pulso - eco y transmisin bien por contacto con la superficie de exploracin (con los medios de acoplamiento) o bien por Inmersin de la muestra (local o total) permitiendo esta ltima tcnica el ensayo automtico.Adems se cuenta con una gran variedad de palpadores cuyas caractersticas propias (frecuencia dimetro y disposicin) unidas a las del propio equipo de ultrasonidos permiten conjugar los diversos parmetros del ensayo (campo prximo, divergencia del haz, penetracin, sensibilidad, poder (le resolucin, transmisin a travs de la superficie de exploracin, etc) y establecer las condiciones ptimas, del ensayos.

Los medios disponibles son pues numerosos y variantes, lo que abre un campo amplio cae posibilidades, cubiertas por una gran gama extensa de tcnicas operatorias,A continuacin hacemos una breve exposicin de las posibilidades de algunas de las tcnicas operatorias.

13.1.- Ensayos con incidencia normal.Se aplican en los mtodos de impulso - eco figuras 16 y 17 y en los de transmisin, figura 18, emplendose ondas longitudinales en casi todos los ensayos.

La incidencia normal a la superficie de exploracin se aplica, generalmente, en los ensayos de muestras de forma geomtrica simple y en la medicin de espesores. Se detectan perfectamente heterogeneidades de morfologa laminar cuyo plano principal sea perpendicular al eje del haz, as como tambin heterogeneidades de morfologa esfrica o cilndrica,La superficie de exploracin debe ser fcilmente accesible y, cuando se requiere examinar la muestra completa es preciso explorar la superficie en toda su extensin.Es los ensayos por pulso - eco se emplean palpadores de cristal nico (E+R) o de cristal doble (E-R). En los ensayos por transmisin son necesarios dos palpadores del tipo de cristal nico,

13.2.- Ensayos con incidencia angular.

Se aplican en los mtodos de impulso - eco y en los de transparencia por reflexin figura 19) emplendose preferentemente ondas transversales.

La incidencia angular presenta grandes ventajas tales como:-Se aplica tanto a muestras de forma simple cmo compleja.Se puede elegir el ngulo de propagacin idneo a la morfologa, orientacin y posicin de una heterogeneidad.-Se pueden elegir la superficie de la muestra que sea ms idnea para la obtencin de una indicacin propia de una heterogeneidad.-Zonas de la muestra que resultan ocultas en un ensayo con incidencia normal, se exploran fcilmente con incidencia angular, llegndose a aquellas zonas ocultas mediante la eleccin adecuada del ngulo de penetracin y/o por medio de reflexiones internas del haz en otras superficies de la muestra.-En muestras con dos superficies paralelas relativamente prximas, se obtiene una trayectoria en zig zag. (figura 20) Esta propagacin segn una trayectoria zig zag, puede llegar a alcanzar distancias largas, siempre que le rugosidad de la superficie sea inferior a la longitud de onda. Cuando se emplea sta tcnica, se puede explorar la seccin entera de la muestra con solo mover el palpador en la distancia "d" (figura,20). De este modo se pueden detectar heterogeneidades tanto superficiales como internas, Al igual que con la incidencia normal, Se obtiene, en ste caso, una indicacin de un eco de fondo; en los bordes de la muestra, s el haz nacido en ngulo recto con una de las dos aristas, inferior o superior.

14.- INSPECCIN ULTRASNICA DE UNIONES SOLDADAS.14.1.- lnspeccionabilidad.La aplicacin del ensayo por ultrasonidos exige de la pieza o componente unas condiciones mnimas que pueden englobarse dentro del concepto de inspeccionabilidad.Desde las primeras etapas de diseo hay que tomar en consideracin los requisitos de la inspeccin para que sta pueda desarrollarse en condiciones ptimas. Esto, que tiene una validez general, es especialmente crtico cundo se trata de uniones soldadas. Entre los parmetros que influyen en la inspeccionabilidad destacan:Forma geomtrica,Acabado superficial.Estructura metalrgica.Historial de la piezaMarcas de referencia

14.1.1. Formas geomtricasEn la figura 21 se compran soldaduras con diferente grado de inspeccionabilidad debido a su forma geomtrica. La existencia de soportes o accesorios en las proximidades del cordn puede impedir la inspeccin de algunas zonas. En general, la mayor inspeccionabilidaad coincide con el mejor diseo el punto de vista mecnico.

14.1.2.- Acabado superficialMuy relacionado con la forma geomtrica, es decisivo en cuanto a la inspeccin. En el caso de soldadura en tubos, es frecuente la pregunta de cul es el espesor y el dimetro mnimos; que puedan inspeccionarse por ultrasonidos. Sin temor a exagerar puede responderse que todo lo que suelde se podr inspeccionar, con tal que el acabado superficial sea suficientemente bueno.

Muchas normas o recomendaciones citan como lmite inferior de su campo de aplicacin espesores de material base de 8 a 12 mm, lmite vlido si el cordn se presenta en bruto, pero si se repasa hasta eliminar cualquier irregularidad tanto exterior como de raz, entonces pueden inspeccionarse espesores de 1 mm o incluso menos.

En cualquier caso, el exceso de cordn debe eliminarse hasta dejarlo a haces con el material base si se quiere hacer un examen por ultrasonidos completo y efectivo, especialmente en componentes de responsabilidad.La rugosidad superficial de las zonas sobre las que se va a mover el palpador debe estar limitada para garantizar una buena transmisin acstica. Para componentes de responsabilidad se pueden dar la cifra de 20 m como mximo (AVS E60). Otras recomendaciones (IIW, 1977) limitan la rugosidad a 6 m, lo que parece demasiado severo para la mayora de las aplicaciones.

En casos menos crticos es suficiente con asegurar la limpieza de la superficie que debe estar libre de xidos no adheridos, suciedad, salpicaduras de electrodo y, en general, de cualquier cosa que impida o dificulte el libre movimiento del palpador o la adecuada transmisin del sonido,

En equipos que ya han prestado servicio es frecuente encontrar picaduras superficiales de corrosin (piel de naranja) que pueden perturbar gravemente los resultados del ensayo, no slo por su efecto sobre la transmisin del sonido sino tambin porque pueden desviar considerablemente el haz ultrasnico, En la eliminacin de tal rugosidad hay que cuidar de que no se produzcan ondulaciones en la superficie, cuyo efecto sera incluso ms perturbador que el de la rugosidad.

14.1.3.- Estructura metalrgica.

Para que el haz acstico pueda aportar, informacin sobre el estado de la unin soldada tiene que transmitiese a su travs, lo que exige del material base y del aporte un nivel de atenuacin que no debe rebasar un nivel mximo para la frecuencia de ensayo.

Un acero forjado no presenta particulares problemas para el examen por ultrasonidos o cuando est bajo la forma de metal de aporte en una unin soldada, su comportamiento es muy distinto. La marcada anisotropa elstica de la austenita se manifiestan escala microscpica debido al crecimiento columnar de los granos y a la ausencia de puntos crticos. Esto provoca fenmenos de desviacin del haz y fuerte dispersin, lo que obliga a aplicar tcnicas muy particulares, de ensayo a este soldaduras.

14.1.4. - Historial de la pieza.

No se puede inspeccionar correctamente una unin soldada si no se tienen datos suficientes sobre su en particular los relacionados con el material, proceso de fabricacin y, condiciones de servicio, en su caso.Los datos geomtricos procedentes de planos deben ser contrastados con la realidad que, en ocasiones, se aparta sensiblemente de las dimensiones nominales.

14.1.5.- Marcos de referencia.

Una de las partes crticas de una unin soldada es la raz, donde es frecuente que se planteen problemas de interpretacin de difcil solucin. Si en el momento de la preparacin de bordes se trazan referencias paralelas al chafln a una distancia del mismo de, p.ej., 50 mm la distancia entre ambas marcas, una vez acabada la unin soldada, puede dar una buena pista para saber si la unin ha sido correctamente realizada o, por el contrario, se ha producido una contraccin o separacin excesivas.

14.2.- Detectabilidad.

La regla de que el menor defecto detectables es aquel cuyo tamao es del orden de la mitad de la longitud de onda, es el resultado de una simplificacin excesiva del problema

De hecho, la detectabilidad de un reflector no depende slo de su tamao en creacin con la frecuencia de ensayo, sino tambin del medio en que est contenido y del acabado superficial. Estos parmetros, junto con la frecuencia y tipo de onda, determinan la relacin seal/ruido (S/R) que es lo que realmente define cuando un defecto es, o no, detectable. Se suele admitir como vlida una S/R mnima de 12 dB; es decir, el eco del reflector debe ser, al menos, cuatro veces ms alto que el ruido a la misma distancia. La detectabilidad se ve afectada tambin por la orientacin y situacin del reflector, lo que est ms en relacin con la tcnica operatoria.

La detectabilidad de grietas muy finas; puede verse muy comprometida por la existencia de tensiones de compresin que tiendan a cerrar los bordes de la grieta. Un tratamiento trmico contra tensiones suele mejorar la detectabilidad en tales casos.

14.3.- Tcnicas operatorios.

Se describen nicamente las tcnicas bsicas de inspeccin manual.

14.3. 1.- Examen con palpadores de incidencia normal.

La figura 22 presenta una serie de aplicaciones del ensayo con incidencia normal, ondas-, longitudinales dos son las funciones principales de esta tcnica:

Si el acabado superficial lo permite, ensayo directo sobre el aporte, tal como indica la posicin 1 de la figura 63a. De esta forma son fcilmente detectables algunas discontinuidades que pueden resultar difciles de ver en el ensayo con palpadores angulares de ondas transversales. Tal es el caso de lneas de escoria, escorias aisladas y ciertos poros. Este ensayo presenta la ventaja de que es ms sencillo, tanto en su puesta a punto (calibracin) como en la interpretacin de resultados. Adicionalmente, se tiene la gran ventaja de que la distancia a que se van a detectar las posibles discontinuidades es la mnima, lo que, en general, se traduce, en una mejor relacin S/R.

La otra funcin se refiere a las uniones que van a ser inspeccionadas con palpadores angulares. En estos casos, se exige una exploracin previa con palpador normal de toda la zona sobre la que se va a mover el palpador angular. Esta exploracin cubre los siguientes objetivos:

a)Detectar posibles discontinuidades planas que pudieran impedir la penetracin de las ondas transversales.b) Medir el espesor real de la chapa.c)Evaluar, al menos de forma comparativa, el nivel de atenuacin de material y sus variaciones a lo largo de la unin soldada.d) Evaluar el acabado superficial de la chapa.

14.3.2.- Examen con palpadores de ondas transversales. Incidencia angular.

Es la tcnica ms extensamente empleada en uniones soldadas debido a su versatilidad y a la facilidad de acceso a todas las zonas del cordn. La, figura 23 representa algunas da las aplicaciones tpicas. Moviendo el palpador entre las posiciones 1 y 2 de la figura 23b, el haz recorre todo el cordn a partir de la raz. La posicin de las figuras 23a y 23b es adecuada para detectar discontinuidades orientadas en sentido longitudinal (paralelas al eje del cordn). Si se trata de discontinuidades transversales (principalmente grietas) hay que explorar desde la posicin 1 (figura 23c) cuando el cordn est en bruto de soldadura, o desde la posicin 2 si el cordn ha sido mecanizado lo que, naturalmente, facilita la deteccin de este tipo de defectos.

En uniones soldadas con espesores altos (ms de 80 - 1 00), donde, por la geometra da la superficie de exploracin, hay que recurrir a la tcnica en tndem (figura 23d) en la que dos palpadores iguales se conectan uno como emisor y otro receptor. Los dos palpadores se montan sobre un til para poderlos desplazar conjuntamente a lo largo del cordn sin perder la geometra. La profundidad del corte de los haces (zona sensible) depende de la distancia entre los palpadores, por lo que habr que hacer varias pasadas variando esa distancia para garantizar la exploracin de todo el cordn. Para esta tcnica se emplean, casi exclusivamente, palpadores de 45.

El ensayo con palpadores angulares de ondas longitudinales est limitado a problemas en los que no son aplicables las ondas transversales debido a problemas de atenuacin. Este es el casi de las soldaduras con aporte austenitico, donde stas ltimas sufren fuerte dispersin, La mejor relacin S/R que se obtiene con ondas longitudinales viene, en parte contrarrestado por el inconveniente de que hay que detectar el reflector directamente, sin ningn rebote de haz debido al mal comportamiento de las ondas longitudinales en su reflexin en la pared del fondo.

14.4.- Explotacin.

Cualquiera que sea la tcnica utilizada, el palpador debe moverse asegurando el solape de trayectorias para garantizar la cobertura de toda la superficie a inspeccionar. En la figura 24a se esquematiza el recorrido de un palpador de incidencia normal con El cordn mecanizado y sin mecanizar. La figura 24b representa la trayectoria de un palpador angular para detectar defectos longitudinales. Adems del movimiento en zig-zag hay que dotarlo de una oscilacin tal como la indicada para aumentar la probabilidad de deteccin.

Las distancias A, B entre las que hay que mover el palpador son las indicadas en la figura 24b. Es una buena prctica llevar el palpador, en la posicin A, hasta tope con el cordn, si es que no est mecanizado. La distancia B no es recomendable rebasarla para pequeos espesores de chapa.

14.5.- Interpretacin.

Consiste en deducir las caractersticas del reflector- Situacin,- Forma,- Orientacin,- Tamao,- Naturaleza,

a partir de las indicaciones de su eco c) ecos obtenidos mediante las tcnicas adecuadas.Sin embargo, no basta con los datos obtenidos del ensayo, sino que hay que conocer de antemano algunos datos sobre la unin soldada, como son:Esquema y planos actualizados de la preparacin y zonas adyacentes.Datos completos del proceso de soldadura, as como de las reparaciones si las ha habido.Especificacin o cdigo aplicable en donde se indiquen claramente la naturaleza de los defectos que se pretende detectar.Naturaleza del metal base, del aporte y tipo de tratamiento tcnico.

14.5. 1.- Situacin.

Se determina por relaciones geomtricas sencillas a partir del recorrido del haz, que se mide sobre la pantalla una vez calibrada la base de tiempos, y de la distancia del palpador a una lnea de referencia tomada sobre la pieza.De entre los parmetros que definen al reflector es, quiz, el ms sencillo de determinar y se puede demostrar que es de la mayor utilidad para decidir sobre la naturaleza del reflector. En general la estima de las coordenadas del reflector se puede hacer con un error menor del 10%.En la figura 25 se indica la forma de determinar la situacin de un reflector con palpador angular.

14.5.2. - Forma.En el estado actual de la tcnica de explotacin manual, es posible, en general, clasificar los reflectores en los tipos bsicos: planos y no planos.Si se consigue establecer inequvocamente a cual de las dos categoras pertenece el reflector, se habr resuelto gran parte del problema de la interpretacin.La tcnica para estudiar la forma es la siguiente:Una vez obtenido el eco del reflector problema hay que mover el palpador a, su alrededor y observar cmo vara el eco. Los tres movimientos bsicos se esquematizan en la figura 26. Con el movimiento lateral se determina la extensin longitudinal del reflector. El movimiento orbital es el que define con mayor precisin el carcter plano o no plano del reflector.

As, por ejemplo, una grieta dar un eco que tender a desaparecer rpidamente a poco que se desve el palpador de la orientacin de eco mximo, pero un reflector de tipo cilndrico o esfrico (poros, escorias) tender a dar un eco ms o menos constante incluso con grandes ngulos de giro del palpador. Es conveniente ayudarse de un til para poder realizar este importante movimiento con la mayor eficacia posible. El movimiento transversal permite evaluar, al menos cualitativamente, la extensin vertical del reflector. La ejecucin adecuada y fiable de estos movimientos exige bastante experiencia por parte del operador ya que, de sus resultados, se van a extraer conclusiones acerca del carcter del reflector que van a incidir decisivamente sobre la aceptacin o rechazo de la pieza o componente.

14.5.3.- Orientacin.

Se determina en base a que slo se obtendr el eco ms alto cuando el haz sea perpendicular al reflector. Es necesario, por tanto, ensayar con distintos ngulos y orientaciones del palpador hasta obtener la indicacin mxima. Puede ocurrir, sin embargo, que al variar el ngulo del palpador vare tanto la distancia a que se detecta el reflector que la posible ganancia por orientacin se pierda por atenuacin.Si en una determinada unin soldada pueden aparecer faltas de fusin, hay que conocer el ngulo de la preparacin para elegir el palpador cuyo eje se aproxime lo ms posible a la perpendicular. El ngulo del palpador es tanto ms crtico cuanto mayor sea el espesor de la chapa y ms plano sea el reflector.P14.6.- Tamao.

Es, probablemente, el problema de ms compleja solucin en el ensayo por ultrasonidos. No en todos los casos, por supuesto, ya que cuando el reflector es mayor que la seccin transversal del haz, la determinacin del tamao se hace explorando con el palpador los lmites del defecto (exploracin dinmica), y aplicando el criterio de eco mximo y eco mitad (-6dB) cuyo fundamento se indica en la figura 27.El problema se endurece notablemente cuando se trata de reflectores pequeos para los que la exploracin dinmica no tiene sentido. El criterio de -6dB es totalmente Inadecuado.Este es, posiblemente, el campo donde ms intensamente se investiga dentro de los ultrasonidos ya que, frente a posiciones ya pasadas, segn las cuales lo importante era detectar, hoy se considera que es la evaluacin lo fundamental y el tamao resulta, por tanto, una etapa crtica de la interpretacin. Adems, slo a base de una precisa determinacin del tamao se puede conectar con la Mecnica de las Fracturas, fundamento de cualquier criterio realmente objetivo de evaluacin.

Para estos defectos pequeos, la tcnica convencional ofrece tres tipos de solucin:

a)Comparacin con reflectores conocidos, contenidos en piezas patrn o bloques; de referencia.b)Evaluacin de la amplitud del eco por comparacin con diagramas o escalas DAT (AVG).Exploracin de los lmites del reflector con una lnea definida en el haz y previamente determinada (-20dB).

Las tcnicas a) y b) se basan en la comparacin de la reflectividad del defecto bajo condiciones controladas de amplificacin, y sus resultados no estn relacionados de manera sencilla con el tamao real del defecto, al menos en la mayora de los casos; es decir, no puede deducirse que un reflector sea doble que otro por el hecho de que sus ecos mximos difieran en 6dB.La tcnica citada en c) est sometida a fuertes imprevisiones como resultado de las irregularidades del haz y de que, en general, no se dispone de haces suficientemente estrechos.

Entre los factores que afectan a la reflectividad, los ms importantes son la cimentacin, situacin y naturaleza del reflector, parmetros que estn fuera de control para el operador. Cambiantes, adems, de unos casos a otros. El problema es, como se ve, bastante complejo, y cualquier mtodo de comparacin de reflectividades, bien sea con defectos patrn o con diagramas DAT. implica una necesaria simplificacin que viene a facilitar el trabajo de clasificacin de los defectos para, sobre esa base, proceder despus a elaborar los criterios de evaluacin.Los reflectores de referencia pueden ser defectos reales conocidos, lo que solo es accesible en muy contados casos, o bien defectos artificiales, tal como taladros o entallas.

En general se recomienda el uso de taladros laterales porque:

a) Son fciles de reproducir con la precisin suficiente.b) No presentan irregularidades direccionales de su reflectividad.

En particular, debe evitarse el taladro de fondo plano como reflector de referencia debido a las dificultades de su mecanizacin, lo que va en detrimento de la reproductibidad de los resultados. La pieza en que se van a mecanizar los reflectores patrn debe ser ultrasnicamente equivalente a la pieza a Inspeccionar en el sentido de que:

a) Debe tener igual composicin qumica y estado de tratamiento.b) Debe presentar un acabado superficial equivalente.c) Debe ser geomtricamente equivalente.

Una vez que se tiene el reflector patrn se construye la curva distancia-amplitud tal como indica la figura 69. Con esta curva, cuya zona til es la comprendida entre el10 y 90% de altura de la pantalla, se comparan los ecos de las heterogeneidades detectadas en la exploracin y se aplica el criterio de evaluacin que haya sido establecido antes de la inspeccin.

Los diagramas DAT (Distancia, Amplificacin, Tamao) permiten expresar el tamao del defecto como equivalente al de un disco plano, perpendicular al haz y de dimetro variable.El uso de diagramas DAT es una forma muy eficaz de establecer un nivel de referencia universal, independiente de la posicin del reflector y que slo necesita el apoyo de un bloque de calibracin (IIW) de uso muy extendido. Por otra parte, es posible sustituir los diagramas por las correspondientes escalas DAT que se fijan sobre la pantalla del equipo y facilitan mucho la evaluacin de la reflectividad aunque, naturalmente, su empleo es ms restringido ya que slo son aplicables al equipo y palpador para el que han sido diseadas, mientras que el diagrama DAT generalizado es de validez universal.