Fundamento del método

• Los ultrasonidos (US) son ondas mecánicas de la misma naturaleza que las ondas sonoras.
• La frecuencia de los ultrasonidos está por encima de la zona audible.
• Las frecuencias utilizadas en el trabajo oscilan entre 1 y 25 MHz.
• Los ultrasonidos pueden detectar discontinuidades internas en materiales metálicos y no metálicos.
• En algunos casos, solo se necesita acceso a un lado de la pieza para la inspección con ultrasonidos.
• Un cuerpo en equilibrio tiene todas sus partículas equilibradas por fuerzas elásticas.
• Si una fuerza exterior rompe el equilibrio, las partículas se moverán.
• Amplitud de vibración grande implica deformación permanente.
• Los US tienen amplitudes de vibración muy inferiores a las necesarias para producir deformación permanente.
• Al aplicar una fuerza externa, las partículas superficiales comunican la energía a las vecinas, produciendo una propagación de la energía.
• La oscilación de las partículas tendrá la misma frecuencia y amplitud que la presión ejercida desde el exterior.
• Las ondas mecánicas se propagan a través del material, pero sus partículas solo se desplazan una amplitud de oscilación en torno a una posición de equilibrio.
• A diferencia de las ondas electromagnéticas, los US necesitan un medio para propagarse.

Parámetros que definen una onda acústica

• Longitud de onda (λ, mm): distancia entre dos puntos que ejercen la misma presión.
• Frecuencia (f, Hz): número de oscilaciones por unidad de tiempo, determinada por la frecuencia del palpador.
• Período (T, s): inversa de la frecuencia.
• Amplitud (A, m): desplazamiento de las partículas de su posición de equilibrio.
• Velocidad de propagación (c, m/s): velocidad con que se efectúa la propagación de la presión a lo largo del medio.
• La velocidad de propagación depende del material de ensayo, diferentes materiales inspeccionados con la misma frecuencia tienen longitudes de onda asociadas diferentes.
• c = λ * f

Modos de Propagación de los US

• Clasificación de las ondas US basada en la relación entre la dirección de movimiento de las partículas en el material y la dirección de propagación del haz.
• Onda longitudinal (de presión): La dirección de las oscilaciones está en la dirección de propagación de la onda acústica, que avanza mediante efecto de compresión y expansión.
• Se propaga en sólidos, líquidos y gases, variando la velocidad de propagación según el medio.
• Se utiliza para detectar discontinuidades laminares y para la medida de espesores.
• Onda transversal: La dirección de oscilación de las partículas individuales es perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
• Las partículas oscilan produciendo una fuerza cortante que se transmite a los planos adyacentes, dando lugar a oscilaciones transversales.
• Solo se propagan en medios que presenten resistencia a la cizalladura cuerpos sólidos.
• Se emplean para la inspección de discontinuidades con orientaciones no paralelas al espesor, como soldaduras, tuberías y depósitos.
• Onda de superficie (de Rayleigh): Se propaga solamente en la periferia plana o curva del sólido siguiendo las irregularidades de la superficie o contorno del mismo.
• Su velocidad de propagación es independiente de la frecuencia y, por tanto, es una constante del material.
• Onda de chapa (de Lamb): Se producen si el sólido es extremadamente delgado.

Parámetros de propagación de los US

• Velocidad acústica: Velocidad a la que se propagan las ondas mecánicas por el material (c = λ * f).
• Impedancia acústica: Oposición del material a la vibración de la onda (Z=p/v).
• Presión acústica: Fuerza por unidad de superficie normal que se produce en el medio como consecuencia de la propagación del frente de onda
• Intensidad acústica: Energía transmitida a lo largo de la dirección de propagación por unidad de área en la unidad de tiempo.
• Amplitud máxima de la oscilación: Desplazamiento máximo de las partículas de su posición de equilibrio.
• Comportamiento en superficies límite: La interacción depende del ángulo de incidencia, tamaño de la superficie, geometría de la superficie y rugosidad de la superficie.
• Incidencia oblicua del haz:
• Cuando la onda incide bajo un determinado ángulo respecto a la normal en una superficie que limita dos medios, parte del haz es reflejado y parte transmitido al segundo medio, produciéndose un fenómeno de refracción.
• Cambio en la dirección de propagación respecto a la dirección de incidencia.
• Los ángulos de incidencia y refracción se pueden expresar en función de las velocidades de propagación, mediante la ley de Snell: senαi/c1 = senαr/c1 = senαd/c2.
• Cambio de modos:
• Cuando el haz de US incide sobre una superficie de separación de dos medios, también puede producirse un cambio de modos.
• Una onda longitudinal puede transformarse en transversal, y viceversa.

Componentes del sistema de inspección

• Las ondas US se introducen en el material a través de un palpador.
• El palpador transfiere la vibración a los átomos o moléculas de la superficie del elemento, y éstos a su vez la comunican al interior donde sufren fenómenos de reflexión, refracción, atenuación y difracción.
• Cuando la onda alcanza una heterogeneidad se produce una alteración en la propagación con respecto a lo esperado en un material homogéneo.
• El principio de detección de discontinuidades se basa en la diferencia de impedancias acústicas entre varios materiales (superficies límite) que implica que parte del haz acústico se refleje, transmita o refracte.

Palpador

• Existen diferentes tipos, con distinto diámetro y frecuencias, adaptándose al control específico que se va a efectuar.

• Elemento generador/receptor de US

• Consta de un cable de conexión, un amortiguador, un cristal y un acoplante acústico.

• Adherido a la parte superior, produce amortiguación:

• Amortiguador pequeño → impulso largo con espectro de frecuencias de banda estrecha

• Amortiguador grande → impulso corto con banda ancha, Los impulsos cortos ofrecen un gran poder de resolución pero menor sensibilidad

• Acoplante acústico: Sustancia que permite la transmisión de las oscilaciones US producidas por el cristal. Su finalidad es eliminar el aire. Puede ser por contacto o por inmersión.

• El método usado en END son cristales piezoeléctricos que presentan dos fenómenos:

  • Efecto piezoeléctrico inverso: el cristal se deforma mecánicamente (~nm) al aplicar una diferencia de potencial ddp entre sus caras cristal actuando como emisor.
  • Efecto piezoeléctrico directo: se crea una ddp entre las caras del cristal al aplicar una deformación mecánica cristal actuando como receptor.

• Los cristales más utilizados son: titanato de bario, metabionato de plomo, sulfato de litio y cuarzo.

• Los Palpadores angulares se utilizan para la inspección de uniones soldadas.

• Llevan marcado en la carcasa el ángulo de refracción de las ondas transversales en el acero.

• Se produce atenuación del sonido en la cuña (plexiglás), es conveniente usar cristales de titanato de bario cuya sensibilidad es elevada.

Características del palpador

• Sensibilidad: Capacidad para detectar pequeñas discontinuidades, cuanto menor sea la discontinuidad detectada, mayor será la sensibilidad del palpador.
• Poder de Resolución: Capacidad del palpador para diferenciar ecos de fondo, cercanos uno del otro, de dos espesores distintos.
• Los palpadores de titanato de bario poseen una elevada sensibilidad, junto con un poder resolutivo razonablemente aceptable.

Campo producido por un palpador en el interior del material

• La generación de US se realiza a través del palpador. La cara del cristal no vibra uniformemente (pequeños cristales vibrando en la misma dirección pero con un ligero desfase de un punto a otro).
• Debido a las diferentes distancias de cada uno de los cristales al eje, las ondas interceden y se generan interferencias constructivas y destructivas que producen una serie de máximos y mínimos de la presión acústica en el campo cercano.
• En el campo cercano, su intensidad varía irregularmente debido a la interacción de la onda sonora cerca del palpador que hace poco viable la detección de discontinuidades próximas a la superficie.
• Los fenómenos de interferencia destructiva pierden importancia en el campo lejano, y la presión acústica sigue los mismos cambios que la propagación de ondas planas.
• La intensidad disminuye de forma regular debido a la atenuación (por la dispersión y la absorción del haz) y a la divergencia del haz.
• Atenuación del haz: La energía del haz US se debilita al viajar por el material.
• Este fenómeno impone un límite de profundidad máxima que puede inspeccionarse y es directamente proporcional a la frecuencia de inspección:
  • Al disminuir la frecuencia de inspección: disminuye la atenuación, aumenta el espesor inspeccionable y disminuye la sensibilidad de la inspección.
  • Al aumentar la frecuencia de inspección: aumenta la atenuación, disminuye el espesor inspeccionable.
• Se debe principalmente a dos fenómenos que hay que tener en cuenta en la inspección, ya que repercutirán en la evaluación de posibles indicaciones:
• Absorción del haz: Conversión de energía de vibración en calor; directamente proporcional a la frecuencia.
• Dispersión del haz: Debida a la microestructura e inhomogeneidades del material, con diferentes impedancias acústicas que generan reflexiones locales y difracción; es directamente proporcional a la frecuencia.

Probetas patrón y bloques de calibración

• Se utilizan para calibrar los equipos y sistemas de inspección, ya que las discontinuidades se comparan normalmente con una probeta patrón de referencia.
• Tienen varias formas y tamaños, pero deben ser representativas de los elementos a inspeccionar en cuanto a: material (debe tener la atenuación, tamaño de grano y TT adecuados), configuración geométrica, espesores, proceso de fabricación y acabado superficial .
• Las probetas patrón deben contener defectos artificiales con tamaños y localización representativos en función de los criterios de inspección, que dependen de la clase de aceptación de cada elemento.
• Los bloques de calibración para propósitos generales contienen grietas, ranuras, taladros de fondo plano y cambios de espesor,y deben ser representativos de los materiales a inspeccionar.
• Generalmente la reflexión de los defectos naturales es menor que la de los defectos artificiales, debido a la rugosidad y orientación.
• Existen distintos tipos de bloques de calibración:
• Espesores
• ASTM.
• IIW: para inspecciones con haces perpendiculares y angulares; se usan para comprobar el punto de salida de palpadores angulares, el ángulo del palpador, el ángulo de divergencia del haz y base de tiempos.

Información previa a la inspección

• El operador de END debe informarse antes de comenzar el examen por US sobre: tipo de material a examinar: conocer cómo es el tamaño de grano en las zonas adyacentes al cordón, que determinarán la frecuencia a emplear. espesor de la chapa: ayuda para la elección del ángulo y para conocer las distancias del salto y medio salto entre las cuales ha de desplazarse el palpador durante la ejecución del examen.diseño de junta: ayuda a interpretar los posibles defectos. proceso de soldeo utilizado: ayuda a determinar los defectos que se pueden encontrar con mayor probabilidad. existencia de TT en la soldadura: el TT puede originar cambios en la estructura metalúrgica del metal, que puede influir en la elección de la frecuencia del palpador. existencia de soportes o anillos de respaldo en el cordón de raíz: probable aparición de ecos por reflexiones en los anillos, lo que tendrá que tener en cuenta si el eco procede de la raíz o del anillo.

Presentación en pantalla

• A-scan: Representa la amplitud (% o dB) de una discontinuidad a través de un eco frente al tiempo.
• Es una representación puntual donde cada posición del palpador sobre la pieza a inspeccionar da lugar a una representación A-scan.
• La altura del eco puede compararse a la altura del pico de un reflecto de referencia conocido, para obtener información del tamaño relativo de la discontinuidad.
• Se utiliza en equipos manuales y no deja registro de inspección.
• B-scan: Se utilizan palpadores tipo array.
• Utiliza la pantalla de un osciloscopio para representar linealmente una vista de la sección transversal del material.
• La altura de los ecos de cada A-scan es codificado por medio de una escala de grises.La imagen puede grabarse para evaluar la muestra posteriormente y para fotografiar la pantalla para obtener un registro permanente.
• Es útil para inspecciones manuales de grandes superficies.
• C-scan: Vista en planta similar a una radiografía, indica la forma y localización de la discontinuidad y dependiendo del software del equipo, puede dar información sobre su profundidad.
• Requiere disponer de un sistema de inspección semiautomático o automático.
• Su interpretación es más intuitiva, da información sobre atenuación y profundidad.

Procedimientos de ensayo

• Transmisión:
• No aporta información sobre la posición de la discontinuidad y, en muchos casos, requiere una reinspección por pulso-eco para posicionar e identificar el tipo de discontinuidad.
• Debido a la necesidad de alineación de los dos palpadores, se asocia a sistemas de inspección automáticos a través de acoplamiento por inmersión completa o local.
• Pulso-eco:
• Cuando un impulso es introducido en un material homogéneo, este atravesará todo el material hasta llegar a la superficie opuesta, donde existe una interfase (pieza-aire).
• Si la pieza tiene una discontinuidad, al tener esta una impedancia acústica distinta, constituye una interfase y el impulso es reflejado.
• Además de detectar discontinuidades, permite posicionarlas, se aplica en inspecciones manuales (a través de contacto) e inspecciones semi y automáticas (mediante inmersión parcial o completa).
• Requiere un solo palpador y solo acceso por una sola cara de la pieza.
• Requiere necesidad de perpendicularidad pieza-palpador.
• En comparación con la técnica de transmisión mayor atenuación de la señal.

Ventajas del método Pulso-eco

• Es el método más versátil de todos, detecta y posiciona heterogeneidades con diferentes orientaciones y en el interior de la pieza (método volumétrico).
• Posee una elevada sensibilidad (del orden λ).
• Solo es necesaria una cara en muchos casos.
• La información obtenida en el ensayo es instantánea y permite ser procesada por técnicas digitales.
• Admite la implantación de sistemas automáticos de inspección para aumentar la velocidad de inspección y reducir tiempos.
• Permite realizar inspecciones en servicio gracias a la portabilidad de los equipos.
• Es aplicable a todo tipo de materiales: metales, plásticos y cerámicos.
• Además se emplea en metrología (medida de espesores) y caracterización de materiales.

Limitaciones del método Pulso-eco

• Necesita un medio de acoplamiento entre la pieza a inspeccionar y el palpador.
• Puede presentar complicaciones en geometrías complicadas, piezas pequeñas en espesor (finas) y rugosidad elevada.
• Discontinuidades muy próximas a la superficie pueden no ser identificadas.
• Precisa el uso de probetas patrón.
• Presentan máxima sensibilidad cuando el haz US es perpendicular a la discontinuidad.