ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DEL DISEÑO

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DEL DISEÑO MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DEL MANTENIMIENTO TRABAJO FINAL DE MA STER Desarrollo y experimentacio n de un sistema ultraso nico TOFD configurable Tesis para obtener el título de: Título Oficial de Máster Universitario en Ingeniería del Mantenimiento Presentado por: Ing. José Fabricio Cuenca Granda. Director: Dr. D. Jorge Gosálbez Castillo Valencia, Julio 2013

2 Dedicatoria A mi Familia, que me han apoyado incondicionalmente en todas mis decisiones y proyectos, porque son mi verdadera y principal motivación en cada una de las acciones tomadas. ii

3 Agradecimientos En estas líneas quiero expresar mi más profundo y sincero agradecimiento a todas aquellas personas que de una u otra manera me han apoyado y colaborado desinteresadamente en el desarrollo de este trabajo, en especial al Dr. D. Jorge Gosálbez, director de esta tesina, por su orientación, seguimiento y supervisión en cada una de las fases del desarrollo de este trabajo. Así mismo, el reconocimiento especial a todos y cada uno de mis profesores que he tenido en el presente máster, que me han compartido sus conocimientos, experiencias y motivaciones desde cada una de sus especialidades. Al Dr. D. Vicente Macián, que a más de su responsabilidad como director del Máster, fue el artífice y responsable de facilitarme la admisión a estudiar y formar parte de una institución de gran prestigio como lo es la Universidad Politécnica de Valencia. A mis compañeros y compañeras, de los cuales llevo las mejores experiencias compartidas durante estos dos años de estadía y convivencia en este país tan acogedor. Y principalmente, mis agradecimientos a todas las personas que me supieron apoyar en los momentos más complicados, aquellas que con sus consejos y motivaciones supieron trasmitirme la confianza necesaria para retomar nuevamente mis objetivos y metas planteadas. Finalmente agradezco al SENESCYT, institución fortalecida bajo una nueva visión y misión de trabajo, que son quienes me han brindado la posibilidad de formar parte activa del Plan del Buen Vivir en el que Ecuador se halla encaminado. A todos y todas ellas, muchas gracias. iii

4 Resumen La presente tesina aborda el desarrollo y la experimentación de un sistema ultrasónico TOFD configurable, en este caso aplicado a piezas de duraluminio y hierro, pero con la posibilidad de ser desarrollado en cualquier otro tipo de material sólido, por ejemplo materiales de construcción. Este trabajo toma su inicio en el capítulo 1 con la recopilación bibliográfica de los fundamentos y terminologías básicas relacionadas con los ultrasonidos y su aplicación dentro de los ensayos no destructivos. Se aborda los principales parámetros y conceptos ultrasónicos, así como la generación de los diferentes tipos de ondas acústicas. Posteriormente se toma la técnica TOFD, compendiando sus principios de funcionamiento, fórmulas y demás características que serán utilizadas a lo largo del presente trabajo. En el capítulo 2 se hace una descripción y caracterización tanto de los equipos disponibles como de las probetas de ensayo a utilizar, para luego desarrollar experimentalmente el proceso más adecuado en la ejecución de esta técnica. También comprende el desarrollo de una hoja de cálculo que ayuda a establecer anticipadamente la mejor configuración en cada uno de los ensayos, facilitando enormemente la tarea de calcular cada una de las variables relacionadas con la técnica TOFD. Además se describen paso a paso los diferentes procesos para la adquisición, almacenamiento y procesamiento de las señales acústicas, hasta la obtención de las imágenes bidimensionales llamadas B-Scan, que son el objeto en sí, de estudio y análisis para la caracterización morfológica de las piezas en estudio. En el capítulo 3, ya comprende la ejecución del procedimiento ultrasónico TOFD configurable, en donde se ha ensayado sobre cada una de las probetas, aplicando los procesos desarrollados y generando las respectivas imágenes que serán utilizadas para contrastar la morfología real de las piezas con los resultados de los B-Scan obtenidos. Finalmente se establecen las respectivas conclusiones y recomendaciones asociadas al tema que se ha tratado en este trabajo. iv

5 Índice General Dedicatoria... ii Agradecimientos... iii Resumen... iv Índice General...v Índice de Figuras... viii Índice de Tablas... xi Nomenclatura... xii Objetivos... xiv Capítulo 1: Conceptos Teóricos Introducción Reseña Histórica Ultrasonidos Ondas acústicas Parámetros de las ondas acústicas ultrasónicas Frecuencia Amplitud Longitud de Onda Velocidad Acústica Presión Acústica Impedancia Acústica Energía Acústica Específica Intensidad Acústica Atenuación Tipos de Ondas Ultrasónicas Ondas Longitudinales Ondas Transversales Ondas Superficiales Ondas Lamb Ondas de Borde Conversión de Ondas Ultrasónicas Incidencia Perpendicular o Normal Incidencia Angular u Oblicua Generación de ondas ultrasónicas Elementos de un transductor Tipos de transductores Características de los transductores Haz y campo ultrasónico Divergencia del Haz v

6 Longitud de pulso de un transductor Ancho de banda de un transductor Técnica de difracción de tiempo de vuelo (TOFD) Configuración de la técnica TOFD Parámetros de la Técnica TOFD Trayectorias de ondas acústicas Tiempos de vuelo Ángulos de refracción Zonas Muertas Resolución espacial Capítulo 2: Desarrollo Experimental Introducción Equipos de medida Equipo de ultrasonidos MATEC PR Parámetros de Transmisión Parámetros de Recepción Osciloscopio Transductores Cuñas de acople y cables Materiales para Ensayos Cálculo de la Velocidad Acústica Probetas para Ensayos Hoja de Cálculo y Parámetros de configuración TOFD Características de los Transductores y Cuñas de acople Características de las Probetas de Ensayo Características del Pulso Ultrasónico Cálculos del Tiempo de Vuelo Cálculo de Zonas Muertas Cálculo del Ángulo de Divergencia del Haz Ultrasónico Adquisición y Tratamiento de Señales Ultrasónicas Generación de Imágenes TOFD Almacenamiento y Gestión de A-Scans Generación de B-Scans Procesamiento de imágenes B-Scan Eliminación de Promedio Estadístico de la Señal Control Automático de Ganancia (CAG) Filtros Pasa-Banda Selección de las Frecuencias de Corte Diseño de Filtros Filtrado digital de los A-Scans Representación de los nuevos B-Scans Promediado Temporal Promediado lateral o de desplazamiento...67 vi

7 Capítulo 3: Resultados Ensayos Aplicando la Técnica TOFD Inspección 1: Probeta 02 con 2 MHz Inspección 2: Probeta 02 con 5 MHz Inspección 3: Probeta 03 con 2MHz Inspección 4: Probeta 04 con 2MHz Inspección 5: Probeta 06 con 2MHz Inspección 6: Probeta 06 con 5MHz Inspección 7: Probeta 05 (Soldadura) con 10MHz Procedimiento de inspección ultrasónica TOFD...88 Conclusiones Bibliografía vii

8 Índice de Figuras Figura 1.- Espectro de ondas acústicas Figura 2.- Características de las ondas... 5 Figura 3.- Onda longitudinal o de compresión Figura 4.- Onda transversal o de corte Figura 5.- Onda Lamb simétrica de compresión Figura 6.- Onda Lamb asimétrica o de flexión Figura 7.- Ondas de borde producido por defecto Figura 8.- Incidencia perpendicular de las ondas Figura 9.- Incidencia angular de las ondas Figura 10.- Reflexión y refracción de onda con incidencia angular Figura 11.- Ángulos críticos de refracción de un material genérico Figura 12.- Esquema y partes de un Transductor de Ultrasonido Figura 13.- Haz ultrasónico de un transductor Figura 14.- Ángulo total de divergencia para diferentes límites de atenuación Figura 15.- Longitud de pulso ultrasónico según la norma ASTM E Figura 16.-Representación espectral del ancho de banda de un transductor ultrasónico 21 Figura 17.- Clasificación de transductores según el ancho de banda relativo Figura 18.- Configuración general de la técnica TOFD Figura 19.- Ejemplo de una imagen bidimensional con la técnica TOFD Figura 20.- Proceso de formación de un B-Scan con la técnica TOFD Figura 21.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas longitudinales Figura 22.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas transversales Figura 23.- Pantalla frontal de parametrización del MATEC PR Figura 24.- Osciloscopio Tektronix DPO3014 y sus características principales Figura 25.- Transductor MUWB-N de 2MHz Figura 26.- Transductores de 5MHz y 10MHz Figura 27.- Cuñas con diferentes ángulos de incidencia Figura 28.- Cables coaxiales y conectores Figura 29.- Medición de velocidad longitudinal en probeta de duraluminio viii

9 Figura 30.- Señal temporal para el cálculo de la velocidad longitudinal del duraluminio Figura 31.- Medición de velocidad transversal en probeta de duraluminio Figura 32.- Probeta P01 de duraluminio sin defecto Figura 33.- Probeta de duraluminio con agujero Figura 34.- Probeta de duraluminio con dos agujeros Figura 35.- Probeta de duraluminio con corte en una sus caras Figura 36.- Medición de la velocidad acústica de la probeta Figura 37.- Probeta de hierro con cordón de soldadura Figura 38.- Probeta de duraluminio con corte fino en una de sus caras Figura 39.- Gráfica dinámica de Excel desarrollada para la parametrización de la técnica TOFD Figura 40.- Hoja de cálculo desarrollado para la parametrización de la técnica TOFD. 42 Figura 41.- Parámetros característicos de las cuñas de acople Figura 42.- Separación (2S) entre transductores Figura 43.- Ángulos de divergencia del haz ultrasónico con interacción de dos medios Figura 44.- Esquema del montaje experimental empleado para el desarrollo de la técnica TOFD Figura 45.-Proceso de configuración de equipos para la adquisición de A-Scans Figura 46.- Esquema de: adquisición, procesamiento y generación de B-Scans Figura 47.-Recorrido de transductores y adquisición de A-Scans Figura 48.-B-Scan obtenido experimentalmente en escala de grises Figura 49.- Desplazamiento de los transductores sobre la probeta de duraluminio Figura 50.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente en escala de grises Figura 51.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente sin procesamiento Figura 52.- Eliminación del promedio estadístico de un A-Scan Figura 53.- Aplicación del CAG (Control Automático de Ganancia) de un A-Scan Figura 54.- Procesado del B-Scan con el CAG Figura 55.- Ejemplos de funciones CAG Figura 56.- Parámetros principales de un filtro pasa-banda Figura 57.- Coeficientes del filtro pasa-banda diseñado Figura 58.- Características del filtro digital FIR pasa-banda diseñado Figura 59.-Aplicación del filtro digital sobre un A-Scan genérico ix

10 Figura 60.- Procesado de un B-Scan con un filtrado digital FIR (Q=1) Figura 61.- B-Scans obtenidos con distintas frecuencias Figura 62.- Promediado temporal de potencia de la señal Figura 63.- Procesado del B-Scan con promediado temporal Figura 64.- Promediado lateral de potencia entre varios A-Scans Figura 65.- Procesado del B-Scan con promediado lateral o de desplazamiento Figura 66.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. Sin defecto Figura 67.- Radiografía probeta P05. 98kV, 20mA, 5s, 100cm. Vista superior Figura 68.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista superior Figura 69.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz Figura 70.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz Figura 71.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz Figura 72.- Parte del cordón de soldadura vista del borde inferior Figura 73.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista inferior Figura 74.- B-Scan escala de grises de la probeta P05 con 10 MHz Figura 75.- B-Scan promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz Figura 76.- B-Scan promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz Figura 77.- Grieta del cordón de soldadura vista inferior Figura 78.- Diagrama de procedimiento para inspección con la técnica TOFD x

11 Índice de Tablas Tabla 1.-Propiedades acústicas de materiales comúnmente usados en END Tabla 2.- Valores de campo próximo en milímetros para diámetros de transductores y materiales diferentes Tabla 3.- Constante K para el cálculo del ángulo de divergencia Tabla 4.- Ángulo de divergencia en aluminio para diferentes límites de atenuación Tabla 5.- Parámetros de configuración empleados en la medición de las velocidades acústicas Tabla 6.- Ángulos de incidencia de las cuñas de acople Tabla 7.- Dimensiones y características de las cuñas de acople xi

12 Nomenclatura α i α r, α rl, α rt α t, α tl, α tt f C f L, f 2 f P f U, f 1 Δt s BW r C L C T E e I I i I r I t P i P r T s V pp b k f s t t p t r t d t TUT, t UT t LT, t TLT t LW, t TLW t BW, t TBW τ 2S 2S AMP A-Scan ASTM B-Scan BNC CAG END FFT FIR FREQ GAN Ángulo de incidencia Ángulos de reflexión Ángulos de refracción o transmisión Frecuencia central Frecuencia superior Frecuencia pico Frecuencia inferior Resolución temporal de datos digitalizados Ancho de banda relativo Velocidad Acústica longitudinal Velocidad Acústica transversal Energía acústica específica Intensidad acústica Intensidad acústica incidente Intensidad acústica reflejada Intensidad acústica transmitida Presión acústica incidente Presión acústica reflejada Tiempo de registro en osciloscopio Voltaje pico-pico Coeficientes del filtro digital Frecuencia de muestreo Tiempo Tiempo de excitación del transductor Tiempo de retraso de la onda en la cuña Tiempo de retardo de filtrado digital Tiempo de vuelo de la onda difractada por el borde superior Tiempo de vuelo de la onda difractada del borde inferior Tiempo de vuelo de la onda superficial Tiempo de vuelo del eco de fondo Duración del pulso Distancia entre transductores Distancia entre transductores, recomendada por norma CEN14751 Amplitud Registro acústico Amplitud/tiempo American Society for Testing and Materials Registro acústico Amplitud/Tiempo/Distancia British Naval Conector Control Automático de Ganancia Ensayos no destructivos Fast Fourier Transform (Transformada Rápida de Fourier) Finite Impulse Response Frecuencia Ganancia xii

13 HPF High Pass Filter L Ondas Longitudinales LPF Low Pass Filter LT Onda difractada por borde inferior de defecto LW Onda superficial PE Pulso-Eco PRF Frecuencia de Repetición de Pulso R Coeficiente de reflexión de intensidad R Coeficientes de reflexión de presión RECT Rectificación Rx Transductor Receptor SAFT Synthetic Aperture Focusing Techniques SNR Signal to Noise Ratio (Relación Señal Ruido) T Coeficiente de transmisión de intensidad T, S Ondas Transversales T Coeficientes de transmisión de presión TOFD Time of difracction technique TT Transmisión Recepción Tx Transductor transmisor UT Onda difractada por borde superior del defecto WIDTH Ancho de excitación BW Onda eco de fondo A Amplitud BW Ancho de banda C Velocidad Acústica CN Número de ciclos completos E Módulo de elasticidad H Espesor del material de inspección ID Zona muerta inferior Io Intensidad de referencia acústica L Profundidad LP Longitud de la probeta LR Profundidad de la resolución espacial N Longitud del filtro FIR N p Longitud de registro de osciloscopio N v Tamaño de ventanado N s Tamaño de solapado OD Zona muerta superior P Presión acústica. PN Número de picos Q Factor de calidad T Periodo Z Impedancia acústica db Decibelios e Espacio, distancia v Velocidad instantánea de partícula γ Ángulo de divergencia del haz ultrasónico λ Longitud de onda acústica μ Coeficiente de Poisson ρ Densidad xiii

14 Objetivos General Elaborar un procedimiento de inspección ultrasónica configurable empleando la técnica TOFD, para la caracterización de la morfología y/o defectos en probetas de duraluminio y hierro a través del análisis de las mediciones empíricas obtenidas. Específicos Realizar una recopilación bibliográfica de conceptos generales y específicos relacionados con las propiedades de los ultrasonidos, así como de las principales técnicas de inspección empleadas en los END, dando mayor énfasis a la técnica TOFD. Identificar y cuantificar los parámetros y/o variables relacionados a equipos y elementos de medición empleados en la técnica TOFD, a fin de elaborar y estructurar los procedimientos de inspección adecuados para la utilización eficiente de los recursos disponibles en el laboratorio de experimentación. Realizar las mediciones correspondientes sobre las probetas de duraluminio y hierro con su respectivo procedimiento de inspección estructurado; a fin de obtener medidas para su posterior procesamiento y análisis. Contrastar los resultados obtenidos a fin de determinar el grado de fiabilidad que tienen los procedimientos elaborados para la detección y dimensionamiento de las heterogeneidades y/o defectos en diferentes probetas de distintos materiales. xiv

15 Capítulo 1: Conceptos Teóricos 2

16 Capítulo 1: Conceptos Teóricos 1.1 Introducción En este primer capítulo se pretende hacer un acercamiento hacia los conceptos y terminologías más relevantes de los ultrasonidos, evitando así las ambigüedades mediante el empleo de un lenguaje correcto y conciso. Se detalla la naturaleza, clasificación, tipologías y leyes físicas que gobiernan las ondas acústicas; además de describir cómo son generadas y el comportamiento que tienen éstas cuando atraviesan y se propagan por diferentes medios. En la parte más relevante y en donde se aborda la técnica TOFD, se expone la síntesis de la información obtenida en diferentes recursos bibliográficos, resaltando los parámetros que deben ser comprendidos plenamente, con el fin de lograr resultados aceptables en el desarrollo experimental posterior de esta técnica, que está destinada principalmente a la detección y caracterización de patologías en materiales metálicos Reseña Histórica Los primeros descubrimientos de las ondas ultrasónicas fue realizado por el biólogo italiano Lazaro Spallanzani en 1700, analizando como los murciélagos atrapan a sus presas. Posteriormente; en la primera mitad del siglo XIX, el físico y matemático Christian Doppler analiza las propiedades de los ultrasonidos, siendo la base para que cien años después los japoneses desarrollen aplicaciones del Efecto Doopler. En la segunda mitad del siglo XIX los hermanos Pierre y Jacques Curie descubren las propiedades de algunos cristales conocidas como Efecto piezoeléctrico, lo cual sirve de base para las diversas utilizaciones de las ondas ultrasónicas [1]. En 1917, Paul Langevin y Chilowsky produjeron el primer generador piezoeléctrico de Ultrasonido, cuyo cristal servía también como receptor, y generaba cambios eléctricos al recibir vibraciones mecánicas. El aparato fue utilizado para estudiar el fondo marino, en sondeos subacuáticos [2]. En 1929, el profesor S. Sokolov descubre que las vibraciones ultrasónicas pueden penetrar en grandes espesores de metal, y ser trasmitidas por alambre de grandes distancias, de esta manera empieza a utilizarse para descubrir imperfecciones en los metales, ideando un instrumento denominado Defectoscopio. En 1940, Firestone desarrolló un equipo de inspección que utilizaba un solo transductor como emisor y receptor, que mediante pulsos cortos de ultrasonidos se lograba detectar grietas y fracturas, naciendo de esta manera la técnica pulso-eco como un ensayo no destructivo para la inspección de piezas y materiales [3]. Actualmente el empleo de los ultrasonidos es muy diverso ya que el impulso tecnológico de los últimos tiempos ha permitido desarrollar equipos para aplicaciones simples y complejas que son utilizadas en áreas como la medicina, ingeniería, investigación e industria; además, la reducción de los costos en la fabricación de estos equipos es también lo que ha aumentado el acceso a esta tecnología, abriendo así un abanico de posibles nuevas aplicaciones y usos que deben ser investigadas. 3

17 Capítulo 1: Conceptos Teóricos 1.2 Ultrasonidos Los ultrasonidos son unas ondas mecánicas, del mismo tipo que las ondas audibles y con frecuencias superiores al espectro auditivo del ser humano, y que actualmente con el desarrollo de la tecnología son ampliamente utilizados en diferentes aplicaciones de la vida moderna. A continuación se describe la clasificación de estas ondas mecánicas atendiendo a la principal característica que las identifican, como es la frecuencia Ondas acústicas Las ondas sonoras se dividen en tres grupos: la infrasónica, con frecuencias menores a 16 Hz y que no son percibidas por los seres humanos; la sónica, que está comprendida en el rango 16 Hz a 16 khz y, finalmente la ultrasónica, donde las oscilaciones son mayores a 20kHz. Figura 1.- Espectro de ondas acústicas. El rango de las ondas sónicas, son las frecuencias a las que se producen la mayoría de los sonidos audibles, sin embargo, una onda acústica pudiera no ser escuchado por el oído humano al no tener el mínimo de presión necesaria para ser registrada, o por sobrepasar la máxima presión que soportan los mecanismos físicos de este órgano. [3] Las oscilaciones ultrasónicas, son aquellas utilizadas principalmente en Ensayos No Destructivos (END) para la detección de fallos y discontinuidades en piezas metálicas y no metálicas, sin llegar a la destrucción de la pieza a inspeccionar Parámetros de las ondas acústicas ultrasónicas Las ondas ultrasónicas es otra forma de movimiento ondulatorio, donde las partículas que conforman el medio de propagación se desplazan sobre su posición de equilibrio e inducen perturbaciones a través de los enlaces elásticos con sus adyacentes; de esta manera, posibilitan la propagación de energía acústica a través de las partículas sin que haya un desplazamiento de todo el conjunto. 4

18 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Estas ondas necesitan de un medio material elástico o viscoelástico para su propagación, pudiendo ser: líquido, gaseoso y/o sólido; no logrando así la transmisión en el vacío como lo hacen las ondas electromagnéticas. La expresión que describe el movimiento ondulatorio de las ondas en dependencia del tiempo (t) y de la dimensión espacial (x) (sobre el eje de vibración) es la siguiente [4]: U(x, t) = Asen ( 2π T Dónde: A = Amplitud de oscilación (m). T = Periodo de Ondulación (s). λ = Longitud de onda (m). t 2πx λ ) ( 1 ) Figura 2.- Características de las ondas ondas. A continuación de se detalla los principales parámetros que gobiernan este tipo de Frecuencia Es el número de oscilaciones que realizan las partículas por cada unidad de tiempo, en el SI 1, por cada segundo. Se mide en Hertz (ciclo/segundo). Matemáticamente es el inverso del periodo de oscilación de la onda Amplitud f = T 1 ( 2 ) Es la intensidad de la onda acústica correspondiente a la deflexión máxima de las partículas del medio de transmisión Longitud de Onda En un haz de ultrasonido, es la distancia entre dos planos inmediatos de partículas que se encuentran en el mismo estado de movimiento. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia. Puede ser calculado con la expresión ( 3 ). 1 Sistema Internacional 5

19 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Velocidad Acústica Es la rapidez con la que se propagan las ondas acústicas a través del medio. Es constante y característica de cada material sea cual sea la frecuencia. En los metales, ante variaciones de la temperatura, la velocidad es constante y no cambia significativamente, no así en líquidos y gases, dónde las variaciones de presión y temperatura modifican la velocidad característica de propagación en ese medio [3]. La velocidad acústica depende de la densidad y de la elasticidad del material que está atravesando, y es igual al producto de la frecuencia (f) por la longitud de onda (λ): C = f λ ( 3 ) De acuerdo al tipo de onda que aparezca en el material y para una misma frecuencia, hay velocidades muy características que son propias de cada material, algunos de esos valores están presentados en la Tabla Presión Acústica Ésta se define como la diferencia entre la presión instantánea y la presión atmosférica estática, no solo ocurre en los gases, también en líquidos y en sólidos Impedancia Acústica Es una característica del medio donde atraviesa el ultrasonido, definiéndose como: la relación entre la presión acústica y la velocidad máxima de vibración de las partículas. Esta relación se calcula con el producto de la densidad del medio y la velocidad de propagación de la onda, tal como se indica en la siguiente fórmula: Z = P v = ρc ( 4 ) Dónde: Z = Impedancia acústica (kg/m 2 s). P = Presión acústica (N/m 2 ). v = Velocidad instantánea de vibración de la partícula (m/s). ρ = Densidad del material (kg/m 3 ). C = Velocidad acústica (m/s). En otras palabras, la impedancia, es la resistencia que opone un medio a las deformaciones elásticas de las partículas causadas por la vibración de la onda [5]. Dependiendo de este valor, los medios se pueden clasificar en: acústicamente duros, cuando sus elementos de masa varían muy poco su velocidad de vibración a pesar de una gran diferencia de presión; y acústicamente blandos, cuando con una pequeña diferencia de presión sus partículas vibran a gran velocidad [3]. La propagación de las ondas es mejor en materiales acústicamente duros, debido a que la impedancia acústica se opone únicamente a las vibración de las partículas, más no a la propagación de las ondas. En la Tabla 1, se observa los valores de impedancia para los materiales más comunes en tareas de ensayos no destructivos. 6

20 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Energía Acústica Específica La propagación de una onda se caracteriza por un transporte de energía pero no de masa. La energía acústica específica (E e ) se define como la energía por unidad de volumen del medio cuando avanza con la velocidad acústica (C), ésta se expresa de la siguiente manera [5]: P 2 P 2 E e = 1 2 ρv2 = 1 2 ρc 2 = 1 2 ZC ( 5 ) Intensidad Acústica Se define como: la cantidad de energía que pasa por unidad de área, y por unidad de tiempo. Se obtiene mediante el producto de la energía específica por la velocidad acústica [5]. I = 1 2 ρv2 C = 1 2 ZV2 = P2 2Z ( 6 ) La unidad de la intensidad acústica (I) es el Belio; Belio = I/Io; donde Io es la intensidad de referencia, por lo tanto el número de belios, nos da el nivel de intensidad acústica Atenuación Es la disminución de la amplitud de una oscilación en función del tiempo y se produce por la propia absorción de los ultrasonidos en el medio y la dispersión a causa de la falta de homogeneidad en la estructura de los materiales Tipos de Ondas Ultrasónicas En cualquier medio, las partículas forman una red cristalina y, cuando se ejerce sobre ellos una presión, éstas se desplazan de sus posiciones de equilibrio describiendo oscilaciones con distintas trayectorias dependiendo de la energía mecánica que se aplica [5]. A continuación se describen los tipos de ondas más importantes Ondas Longitudinales Este modo de vibración también conocido como ondas de comprensión, se presentan en medios sólidos, líquidos y gaseosos. Con la presencia de una presión perpendicular a la superficie del material se origina una perturbación en las partículas y, esa vibración, empuja o hala a las partículas adyacentes por medio de los vínculos elásticos y, es ahí donde aparecen zonas de compresión (partículas muy juntas) y zonas de depresión (partículas muy separadas). Por lo tanto, este tipo de onda se caracteriza por la oscilación de las partículas en la misma dirección que el sentido de propagación de la onda. Ver Figura 3. 7

21 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Figura 3.- Onda longitudinal o de compresión. Estas ondas de propagación longitudinales tienen una velocidad característica muy particular para cada medio, intrínseca únicamente a sus propiedades físicas e independiente de la frecuencia de oscilación de la onda. Para el cálculo de esta velocidad, se utiliza la siguiente expresión [3]: E(1 μ) C L = ( ρ(1 + μ)(1 2μ) ) Dónde: C L = Velocidad longitudinal (m/s). E = Módulo de elasticidad (N/m 2 ). μ = Coeficiente de Poisson (adimensional). ρ = Densidad del material (kg/m 3 ) Ondas Transversales También conocidas como ondas de corte o de cizalladura, éstas se generan únicamente en los materiales sólidos, ya que los medios líquidos y gaseosos no tienen enlaces elásticos trasversales, imposibilitando que las vibraciones de las partículas sean trasmitidas a las contiguas. La generación de estas ondas aparece cuando se aplica en un extremo del material sólido, una fuerza cortante y periódica, que provoca una vibración de las partículas, que es perpendicular al sentido de propagación de las ondas, ver Figura 4. Para el cálculo de la velocidad transversal se utiliza la siguiente expresión [3]: 1/2 ( 7 ) 1/2 E C T = ( 2ρ(1 + μ) ) Dónde: C T = Velocidad transversal (m/s). E = Módulo de elasticidad (N/m 2 ). μ = Coeficiente de Poisson (adimensional). ρ = Densidad del material (kg/m 3 ). ( 8 ) Figura 4.- Onda transversal o de corte. 8

22 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Las velocidades de las ondas acústicas en un mismo material, tanto longitudinal como trasversal, se relacionan entre sí mediante la siguiente fórmula: 1/2 (1 2μ) C T = C L ( 2(1 μ) ) ( 9 ) El coeficiente de Poisson (μ), oscila entre 0 y 0.5 para todos los sólidos, por lo tanto, para este tipo de medios se puede asegurar que la velocidad trasversal es menor que la longitudinal, por ejemplo; la relación entre velocidades en el acero es de 0.55 en cambio para el aluminio es de 0.49 [3]. Para el presente trabajo se recogen los valores de velocidad de los principales materiales mayormente utilizados en ensayos no destructivos. Estos valores están tabulados en la siguiente tabla: Tabla 1.-Propiedades acústicas de materiales comúnmente usados en END 2. MATERIAL VELOCIDAD LONGITUDINAL VELOCIDAD TRANSVERSAL IMPEDANCIA ACÚSTICA CL [m/s] CT [m/s] [kg/m 2 s.10 6 ] Acrylic resin (Perspex, Plexiglás ) Aluminum Iron Steel, Steel, Steel, Austenitic stainless Steel, Austenitic stainless Tin Water (20 C) Ondas Superficiales Estas ondas también son llamadas Rayleigh y, son un caso particular de la onda transversal. En este caso las ondas ultrasónicas se propagan únicamente en la superficie plana o curva de un sólido siguiendo su contorno e irregularidades. Estas ondas se reflejan ante la existencia en su recorrido de aristas vivas o curvas con un radio inferior a una longitud de onda, también son interrumpidas, cuando encuentran gotas de aceite o suciedad [3]. Para un mismo material, la velocidad de propagación de estas ondas es ligeramente menor que la velocidad de la onda transversal (0.9), sin embargo, esta velocidad depende del estado tensional al cual está sometida la superficie; con la tracción aumenta, mientras que la compresión, la disminuye. 2 Fuente: Nondestructive Testing Handbook 2nd Edition Volume 7 Ultrasonic Testing ASNT

23 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Ondas Lamb Este tipo de ondas se obtienen en materiales muy delgados, cuyo espesor es del orden de la longitud de onda como, por ejemplo, láminas y tubos. Cuando se transmite la onda ultrasónica vibra todo el material en conjunto propagándose paralelamente a su superficie y en la dirección del impulso recibido. De estas ondas existen dos tipos: las simétricas de compresión (Figura 5) y las asimétricas de flexión (Figura 6). En los dos casos el movimiento de las partículas es elíptico. Figura 5.- Onda Lamb simétrica de compresión. Figura 6.- Onda Lamb asimétrica o de flexión. La velocidad de este tipo de onda no se considera como constante del material, ya que depende del espesor de la chapa, del modo de onda y de la frecuencia Ondas de Borde Éstas son las que se producen por difracción, cuando un haz ultrasónico incide sobre el borde de una la discontinuidad y desvía las ondas alrededor de los bordes y esquinas en diferentes direcciones. En esta técnica en particular, estas ondas serán las que nos determinen la presencia o no de defectos en la pieza de inspección. Figura 7.- Ondas de borde producido por defecto. 10

24 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Conversión de Ondas Ultrasónicas Los ultrasonidos aplicados a los END para el estudio de diferentes materiales no se lo hace sobre medios ilimitados (sin fronteras); la mayoría de los casos, los materiales poseen contornos o están interactuando físicamente con otros, por lo tanto, es importante conocer el comportamiento de las ondas mecánicas cuando atraviesan dichas uniones porque la propagación ultrasónica se altera. La propagación de las ondas acústicas a través de una frontera, entre un material y otro, experimentan alteraciones en su dirección, intensidad y modo de vibración. El límite o frontera entre medios se denomina interface y la forma de incidir sobre ella puede ser perpendicular u oblicua Incidencia Perpendicular o Normal Para el caso cuando las ondas inciden (I i ) de forma perpendicular en la interface de los dos medios, una parte de su energía es reflejada (I r ) y otra trasmitida (I t ) con la misma dirección y sentido; además, la ley de la conservación de la energía se aplica en este caso, es decir; que la suma de la intensidad de la onda reflejada y la trasmitida, es equivalente a la intensidad de la onda incidente ( 10 ). I i = I r + I t ( 10 ) Figura 8.- Incidencia perpendicular de las ondas. Para el cálculo del coeficiente de reflexión (R) y transmisión (T) se emplean las siguientes fórmulas: R = I r I i = Z 2 Z 1 Z 1 + Z 2 ( 11 ) T = I t I i = 4Z 1Z 2 (Z 1 + Z 2 ) 2 ( 12 ) Cuando se refiere a Intensidades Acústicas, no es de importancia el lado de la superficie límite por el que incide la onda (ya sea por el medio 1 o por el medio 2), los 11

25 Capítulo 1: Conceptos Teóricos porcentajes de trasmisión y reflexión no cambian al permutarse entre si la las impedancias [3]. Para el caso de las presiones acústicas, la presión reflejada (P r ) es de la misma amplitud que la incidente (P i ) e independiente de la secuencia de los materiales. Sin embargo, la presión trasmitida depende de la secuencia de los materiales y es de diferente amplitud que la incidente [5]. El balance de las presiones en la interface se muestra en la siguiente fórmula. P i + P r = P t ( 13 ) Para el cálculo de los coeficientes de presión reflejada (R ) y trasmitida (T ), se emplean las siguientes expresiones: R = P r P i = Z 2 Z 1 Z 2 + Z 1 ( 14 ) T = P t 2Z 2 = P i (Z 1 + Z 2 ) 2 ( 15 ) De estas fórmulas se deduce que la presión acústica reflejada es del mismo porcentaje o amplitud, sin importar el lado por el que se incide la onda Incidencia Angular u Oblicua Cuando la onda incide con un determinado ángulo α i (Figura 9) respecto a la normal sobre una interface entre los dos medios de diferentes impedancias; una parte de la onda se refleja y otra se trasmite al segundo medio, produciéndose el fenómeno de la refracción, en donde el haz trasmitido cambia su dirección de propagación. Figura 9.- Incidencia angular de las ondas. Los ángulos de reflexión (α r ) y refracción (α t ) dependen directamente del ángulo de incidencia y de la velocidad de propagación del sonido en los materiales, y éstos se pueden relacionar mediante la ley de Snell ( 16 ), en forma análoga a lo que ocurre en óptica. sen α i C 1 = sen α r C 1 = sen α t C 2 ( 16 ) 12

26 Capítulo 1: Conceptos Teóricos En acústica, además de los fenómenos descritos, independientemente de que la onda incidente sea longitudinal o transversal, aparece un desdoblamiento de la misma, originando dos ondas reflejadas y dos ondas refractadas, para cada caso, una de tipo longitudinal y otra transversal, esto es lo que se conoce como cambio de modos. Figura 10.- Reflexión y refracción de onda con incidencia angular. Aplicando nuevamente la ley de Snell, tenemos: sen α il C L1 = sen α rl C L1 = sen α rt C T1 = sen α tl C L2 = sen α tt C T2 ( 17 ) De las igualdades anteriores ( 17 ) y analizando las Figura 10, se pueden deducir las siguientes conclusiones [5]: a).- Si la onda incidente y la reflejada son del mismo tipo, éstas formarán el mismo ángulo con la normal a la interface, puesto que para el mismo medio, tienen una idéntica velocidad acústica (α il = α rl ; α it = α rt ). b).- Para un mismo medio, la velocidad de la onda longitudinal es casi el doble de la trasversal; por lo tanto, los ángulos de reflexión o de refracción de las ondas longitudinales serán mayores que los correspondientes ángulos de las ondas trasversales (α rl > α rt ; α tl > α tt ). c).- Para simplificar el ensayo de materiales, sobre todo en soldadura [3], nos interesa desaparecer de forma aislada la onda longitudinal que se refracta en el medio 2, de forma que se trasmita únicamente la onda trasversal. Esto sucede variando el ángulo de incidencia para lograr que el ángulo de refracción de la onda longitudinal sea mayor o igual que 90 o. La condición límite para conseguir este efecto se consigue considerando α tl = 90, obteniendo así el primer ángulo de incidencia crítico ( 18 ), siempre que se cumpla c L1 c L2. sen α il = c L1 c L2 ( 18 ) Para el caso de la técnica TOFD, se emplean mayormente las velocidades longitudinales, por lo que no se busca eliminarlas en todos los casos. 13

27 Capítulo 1: Conceptos Teóricos d).- Si se continúa incrementando el ángulo de incidencia, también se puede lograr desaparecer la onda transversal trasmitida en el medio 2, obteniendo una reflexión total de la onda incidente. Para determinar el segundo ángulo crítico ( 19 ) se considera α tt = 90, siempre que se cumpla c L1 c T2. sen α il = c L1 c T2 ( 19 ) Resumiendo, en la Figura 11 se representa genéricamente el comportamiento de las ondas refractadas cuando se varía el ángulo de incidencia, en ésta se logra identificar la existencia de los dos ángulos críticos. Estos ángulos dependen de la velocidad de propagación de las ondas en cada material. Cuando se intercala entre los materiales, un medio de acoplamiento o cuña acústicamente conductora, se sigue verificando la ley de Snell entre el primer material y el tercero, aunque se produce un pequeño desplazamiento paralelo de la onda. Figura 11.- Ángulos críticos de refracción de un material genérico. Fuente: Olympus [6]. 14

28 Capítulo 1: Conceptos Teóricos 1.3 Generación de ondas ultrasónicas En los ensayos no destructivos para la inspección de cuerpos sólidos, lo más usual es el uso de los osciladores piezoeléctricos, donde se aprovecha el fenómeno de la piezoelectricidad de sus elementos para la generación de ondas ultrasónicas. Estos dispositivos pueden convertir una forma de energía en otra. En el caso de los transductores ultrasónicos, cuando éstos funcionan como emisores, convierten la energía eléctrica en ondas mecánicas y, en cambio cuando funcionan como receptores, las ondas mecánicas incidentes son convertidas en energía eléctrica. Estos generadores de ondas ultrasónicas reciben diferentes denominaciones, pudiendo ser; transductores, palpadores u osciladores, en cualquier caso se refieren al mismo elemento Elementos de un transductor Las partes principales de un transductor ultrasónico utilizado en los ensayos no destructivos son los siguientes: Elemento activo o piezoeléctrico, backing o contra masa y capa de acoplamiento [7], éstos se pueden apreciar en la siguiente figura. Figura 12.- Esquema y partes de un Transductor de Ultrasonido. a).- El elemento activo, está construido de una cerámica piezoeléctrica, compuesto o polímero y es el encargado de realizar la conversión eléctrica-mecánica. Éste es conectado eléctricamente al exterior a través de las terminales soldadas a los electrodos que cubren el elemento piezoeléctrico. En la actualidad, los materiales mayormente utilizados como elemento activo en los transductores son las cerámicas Titanato Zirconato de Plomo (PZT), éstas poseen una mayor flexibilidad de formato y de propiedades piezoeléctricas, ya que son fabricadas por la sinterización de polvos cerámicos. Presentan una alta sensibilidad, siendo ideales para la transmisión y recepción en dispositivos de baja potencia. b).- Backing o contra masa, es un sistema mecánico pasivo de alta impedancia acústica, colocado en la cara posterior del elemento activo y tiene como objetivo 15

29 Capítulo 1: Conceptos Teóricos fundamental, absorber la energía mecánica en esa dirección y detener la oscilación del elemento piezoeléctrico. Por lo tanto, en un transductor se generan ondas en un solo sentido y a mayor resolución. c).- La capa de acoplamiento, tienen dos funciones, proteger el elemento activo y asegurar una mayor transferencia de energía Tipos de transductores. Existen una gran variedad de transductores ultrasónicos utilizados en aplicaciones de detección de fallas, tanto para ensayos de campo y de laboratorio. En forma general, se pueden clasificar en tres grupos; de contacto, de haz angular y los de inmersión. a).- Transductores de contacto, éstos están diseñados para usos generales en la inspección ultrasónica manual, donde los materiales de prueba son relativamente planos y uniformes. Proporcionan una alta sensibilidad para una mejor penetración y se fabrican con diseños resistentes para condiciones extremas de trabajo. b).- Transductores de haz angular, éstos son de elemento sencillo o doble que permiten que el haz ultrasónico sea introducido en el material de prueba con un ángulo determinado. Los usos más comunes de este tipo están en las inspecciones de soldaduras. c).- Transductores de inmersión, generan ondas longitudinales y son usados típicamente en sistemas de barrido manual y automático. Se los utiliza para barridos de piezas con geometrías irregulares y complejas, para ello se utiliza una columna de agua como medio de acople entre el transductor y la pieza inspeccionada. En cualquiera de los casos anteriores, los transductores pueden estar construidos por uno o varios elementos piezoeléctricos colocados en un mismo cabezal Características de los transductores Los transductores de ultrasonidos para END, normalmente son caracterizados por sus propios fabricantes de acuerdo con los procedimientos estándares, tales como la norma ASTM E1065, donde la sensibilidad del transductor, la forma de onda y, el espectro de frecuencia se pone a prueba y son documentados en sus respectivas hojas técnicas Haz y campo ultrasónico El haz ultrasónico está constituido por el conjunto de vibraciones cónicas, que partiendo del foco generador (cristal piezoeléctrico) del transductor, produce compresiones y dilataciones periódicas (máximos y mínimos de presión acústica) en el material y se transmite a través de ella con una velocidad determinada. El espacio por el que atraviesa y se propaga el haz, es el campo ultrasónico. Éste se divide en función de las características que presentan las ondas acústicas. En el caso ideal, sin interacciones ni reflexiones originados por defectos, el campo estaría dividido en tres zonas: 16

30 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Zona de campo cercano. Zona de campo transitorio. Zona de campo lejano. 0 z N N z 3N z 3N Figura 13.- Haz ultrasónico de un transductor El campo cercano (Figura 13) tiene una distribución muy irregular y en él aparecen picos de gran intensidad junto a otras zonas casi nulas. Estas variaciones de intensidad dificultan la detección de heterogeneidades en esa zona, porque se producen interferencias múltiples y sus amplitudes cambian en función de la distancia del reflector al transductor. En la dirección de propagación de la onda, el último máximo de presión acústica determina el final del campo próximo. Para calcular la longitud de este campo, se utiliza la siguiente expresión: N = D2 λ 2 4λ Dónde: N = Longitud del campo próximo (m). D = Diámetro del transductor (m). λ = Longitud de onda (m). ( 20 ) Analizando la fórmula anterior, podemos concluir que la longitud del campo próximo depende del área del transductor y de la longitud de onda formada y, esta última variable a su vez, tiene dependencia de la frecuencia y la velocidad de propagación propia de cada material, lo cual nos dice: Un mismo oscilador para diferentes materiales tiene distintos valores de campo próximo. Si aplicamos la expresión ( 20 ) se obtienen los diferentes valores de campo próximo para los transductores que se utilizarán en este trabajo. Esos resultados están detallados en la Tabla 2. A continuación del campo próximo se encuentra la zona de campo lejano, que se denomina también foco natural, porque ahí se produce la divergencia del haz e inicia la apertura del ángulo γ, ver Figura

31 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Tabla 2.- Valores de campo próximo [mm] de los transductores empleados en la técnica TOFD. TIPOS DE ONDAS ONDAS LONGITUDINALES ONDAS TRANSVERSALES Frecuencias [MHz] Material Plexiglás Velocidad acústica [m/s] Diámetro [mm] Material Aluminio Velocidad acústica [m/s] Diámetro [mm] Material Hierro Velocidad acústica [m/s] Diámetro [mm] Divergencia del Haz. El ángulo γ de un transductor se obtiene mediante la expresión ( 21 ) y se comprueba que depende tanto de las dimensiones del elemento emisor como de la longitud de onda del ultrasonido emitido. Figura 14.- Ángulo total de divergencia para diferentes límites de atenuación. γ (ΔdB) = sen 1 (K λ D ) = sen 1 (K C D. f ) ( 21 ) La constante K varía en función del valor de atenuación que se toma como referencia para considerar los lados respectivos del ángulo de divergencia del haz. En la siguiente tabla están expresados los valores más usados dentro de los END [8]. Tabla 3.- Constante K para el cálculo del ángulo de divergencia. VALOR DE ATENUACIÓN (ΔdB) K

32 Capítulo 1: Conceptos Teóricos En la Tabla 4, se han calculado los ángulos de divergencia para el aluminio, con transductores de 6mm de diámetro (usados en este trabajo) y diferentes frecuencias ultrasónicas de diseño. Tabla 4.- Ángulo de divergencia en aluminio para diferentes límites de atenuación. MATERIAL ALUMINIO Frecuencias [MHz] Límite de referencia γ(-6db) γ(-10db) γ(-24db) K ÁNGULO PARA ONDAS LONGITUDINALES. CL= 6367 m/s Diámetro [mm] ÁNGULO PARA ONDAS TRANSVERSALES. CT= 3083 m/s Diámetro [mm] El ángulo total de divergencia ( 22 ) del haz sobre el material corresponde al doble del valor calculado en la tabla anterior y su representación estuvo dada en la Figura 14. Φ (ΔdB) = 2γ (ΔdB) ( 22 ) Si analizamos la ecuación ( 21 ) y los resultados de la tabla anterior, se puede llegar a la conclusión de que el ángulo de divergencia del haz, es directamente proporcional a la velocidad e inversamente a la frecuencia. Es muy importante tener en cuenta en este trabajo, que el uso de ondas transversales, reducen aproximadamente a la mitad el ángulo de abertura del haz, por lo cual, la focalización sobre el área de inspección será menor que si se lo hiciera con ondas longitudinales. Además, a medida que incrementamos la frecuencia, el ángulo de divergencia se va reduciendo y por ende el área focalizada será cada vez menor Longitud de pulso de un transductor Para determinar la longitud de pulso generado por un transductor se utiliza la señal de radio frecuencia de la Figura 15 y según la norma ASTM E1065, se seleccionan los picos de máxima amplitud, tanto de valores positivos como negativos de los ciclos, que a partir de ellos y con la ecuación ( 23 ), se trazan líneas horizontales en los valores correspondientes a la caída de -20dB. Por lo tanto, la longitud pulso generado serán todas las ondas que superan estas líneas horizontales. Dónde: db A 1, A 2 ΔdB = 20 log 10 A 1 A 2 ( 23 ) = Variación de decibelios. = Amplitud inicial y final respectivamente. De la Figura 15 se puede extraer información adicional como: amplitud pico a pico, V pp =700mmV; duración de pulso, τ 20dB =3.25µs; número de picos, PN=10 y número de ciclos completos, CN=5 [8]. 19

33 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Figura 15.- Longitud de pulso ultrasónico según la norma ASTM E1065. Si esta señal es convertida a su contenido en frecuencia correspondiente usando la transformada rápida de Fourier (FFT por sus siglas en inglés), se puede determinar las características del transductor en función de su espectro como por ejemplo el ancho de banda Ancho de banda de un transductor Teóricamente un transductor que genera una onda ultrasónica continua lo hace a su frecuencia de diseño, que coincide con su frecuencia de resonancia. Para el caso de las técnicas empleadas en ensayos no destructivos, se utiliza pulsos ultrasónicos de determinada longitud, llegando a tener una amplia banda alrededor de la frecuencia de diseño, esto debido a la dificultad para iniciar y detener el pulso. Por lo general, cuando menos ciclos completos (CN) contenga el pulso, más contenido en frecuencia tendrá. El ancho de banda (BW por sus siglas en inglés) corresponde el rango de frecuencias que contiene un pulso ultrasónico generado. En la Figura 16 se puede observar el contenido en frecuencia y como éste abarca un espectro a cada lado de la frecuencia del diseño del transductor. El ancho de banda relativo (BW r ) estará dado por la expresión ( 24 ), dónde f L y f U corresponden a los límites tanto inferiores como superiores del espectro donde la amplitud cae por debajo de -6dB de atenuación. El valor de f P representa el valor pico y f C la frecuencia central que es calculado por la media aritmética de los límites. BWr 6dB = f u f L f c 100% ( 24 ) f c = f u + f L 2 ( 25 ) 20

34 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Figura 16.-Representación espectral del ancho de banda de un transductor ultrasónico según la norma ASTM E1065. Analizando los dos apartados anteriores se puede determinar que el ancho de banda estará determinado por la longitud de onda generada y, esta última a su vez dependerá del tiempo que dure la excitación sobre el transductor. τ largo: CN 5 7ciclos τ mediano: CN 2 3 ciclos τ corto: CN ciclos BWr estrecho: 15-30% BWr medio: 31-75% BWr ancho: % Figura 17.- Clasificación de transductores según el ancho de banda relativo. Fuente: Olympus. De acuerdo con el fabricante de transductores Olympus [8], en la Figura 17, se puede apreciar una clasificación, tanto del tipo de onda generada como del espectro correspondiente. Según este fabricante, con los valores de longitud de pulso ( τ) y ancho de banda (BW) descritos, los pulsos de BW estrecho mejoran la detección y los BW achos en cambio son empleados para el dimensionamiento de los defectos. Recalca finalmente, que estas directrices están dadas para materiales ferríticos y similares; para una incidencia normal del transductor; y están condicionados por la morfología y orientación de los defectos. En la técnica TOFD, el tipo de onda generado por el transductor debe tener una longitud de pulso reducido, con un número ciclos completos alrededor de 1 a 1.5, es decir que su contenido frecuencial es ancho. 21

35 Capítulo 1: Conceptos Teóricos 1.4 Tiempo de vuelo de difracción (TOFD) 3 Esta es una tecnología nueva de imágenes ultrasónicas, empleada para la inspección no destructiva de defectos en soldaduras y otras aplicaciones. Esta técnica tuvo su origen a partir de los estudios publicados por Silk and Liddington en 1975, y su desarrollo se debió a la necesidad de determinar y registrar el tamaño real de un defecto. Para conseguir este objetivo, se emplea el fenómeno de la difracción de las ondas incidentes en los bordes de un fallo. A diferencia de la técnica Pulso-Eco, que mide la atenuación de la onda reflejada para tener un tamaño aproximado del defecto, la técnica TOFD en cambio usa las diferencias de tiempo captadas de las señales difractadas por los bordes del defecto para dimensionar su tamaño, de ahí el significado de su nombre, que indica la medición del tiempo de vuelo y/o retardo de la onda difracta. Esta técnica actualmente tiene un gran desarrollo y aceptación frente a otro tipo de tecnologías convencionales como la radio o gammagrafía, debido a sus bajos costes y tiempos empleados en las inspecciones. Otro impulso que ha motivado su desarrollo es la adopción de nuevas normativas y códigos tales como el ASME Code Case , que sustituye el ensayo radiográfico por el ultrasónico de soldaduras en la fabricación de componentes de calderas, recipientes a presión entre otros; y además, con la necesidad de eludir los problemas implícitos de seguridad y salud que conlleva el uso de materiales y equipos radioactivos. Para el caso español, los niveles de aceptación en ensayos no destructivos para soldaduras están regulados en la norma UNE-EN 15617, 583, confirmado que se trata de una técnica confiable y de grandes prestaciones. También se utiliza para determinar niveles calidad en procesos de soldadura Configuración de la técnica TOFD Esta técnica emplea dos transductores de incidencia angular, uno trabajando en transmisión y otro en recepción, enfrentados a una cierta distancia. Un esquema general de la disposición de los palpadores sobre la pieza de ensayo está representado en la Figura 18. En esta imagen se observa la trayectoria de las diferentes ondas que son registradas por el receptor (Rx) ante una única fuente de emisión (Tx). Esta técnica mide los diferentes tiempos de vuelo que toma la onda en llegar al receptor. El tipo de ondas mayormente utilizadas son las longitudinales (llamadas también de compresión), debido a que éstas tienen un alto coeficiente de difracción y una mayor rapidez de propagación dentro del material que las ondas transversales. Sin embargo, éstas últimas se emplean en casos particulares como en la inspección de materiales de pequeños espesores donde interesa incrementar la resolución del defecto, así como 3 Por sus siglas en inglés, TOFD, proviene de Time-of Flight Difracction. 22

36 Capítulo 1: Conceptos Teóricos detectar aquellas discontinuidades que se encuentran muy cerca de la superficie de inspección [9]. Figura 18.- Configuración general de la técnica TOFD. La técnica TOFD se identifica por el empleo de una imagen bidimensional similar a la Figura 19, en la cual se visualiza y caracteriza las discontinuidades y/o defectos que pueda tener el material inspeccionado. Figura 19.- Ejemplo de una imagen bidimensional con la técnica TOFD. Estas imágenes bidimensionales reciben el nombre de B-Scan 4 que está conformada por un elevado número de trazas temporales denominadas A-Scan. En la Figura 20 se muestra el proceso para la obtención de esta imagen a partir de las trazas temporales registradas por el transductor receptor, para ello es necesario el desplazamiento sincronizado de los palpadores paralelos al eje de inspección, que de acuerdo a la normativa UNE EN 583-6, estos A-Scans deben ser tomadas cada milímetro de recorrido. Figura 20.- Proceso de formación de un B-Scan con la técnica TOFD. 4 En algunas citas bibliográficas relacionadas con esta técnica también las denominan D-Scan. 23

37 Capítulo 1: Conceptos Teóricos Parámetros de la Técnica TOFD Para el presente trabajo conviene adoptar una nomenclatura adecuada e identificar las variables físicas de una configuración TOFD. En algunos casos estas variables son identificadas con abreviaturas derivadas del inglés influenciados por las referencias bibliográficas consultadas y, en otros casos por conveniencia propia; por lo tanto, en este apartado se detallan cada una de las variables intrínsecas a esta técnica y las fórmulas características para su estimación cuantitativa. El tipo de ondas que se utiliza en este trabajo son longitudinales y transversales, si bien esta técnica es explotada mayormente con el primer tipo de ondas (L), el uso de las transversales (S o T) se debió a limitaciones por el equipo disponible en el laboratorio, ya que no siempre fue posible generar las ondas L, porque no se disponían de las cuñas 5 de acople con los ángulos adecuados. Por lo tanto, algunos ensayos fueron realizados con ondas S (poco utilizado en esta técnica) con resultados bastante aceptables y, que refutan la idea de que en esta técnica sólo se usan las ondas longitudinales. En este trabajo, para la explicación de los parámetros y dimensiones de la técnica, se hace referencia a las ondas longitudinales, sin que eso excluya el uso de las transversales. Se harán las aclaraciones respectivas, cuando no sea posible su generalización. En la Figura 18 se observa que se necesitan mínimo un par de transductores 6 (Tx y Rx) enfrentados entre sí, a una distancia de separación (2S), medido entre los puntos de incidencia de los haces sobre la probeta. En este caso, se considera la existencia de un solo defecto en el material de prueba, y al emitirse ondas ultrasónicas por parte del transductor transmisor sobre la pieza, son cuatro los pulsos que se registrarían a diferentes tiempos de vuelo en el receptor. La primera de ellas es la onda lateral (LW), que es una onda longitudinal que viaja en una trayectoria muy cerca de la superficie de la probeta y es la primera en captarse en el receptor; la onda longitudinal que más tarde llega al receptor corresponde al eco de fondo (BW) y entre estas dos ondas características se observan las trayectorias que tomarían los pulsos difractados en los bordes superior e inferior del defecto y, como es de esperar, el tiempo en que son registrados por el receptor estarían comprendidos entre la onda lateral y la proveniente del fondo de la probeta Trayectorias de ondas acústicas Para el cálculo de la trayectoria del eco de fondo se emplea la siguiente expresión. BW = 4H 2 + (2S) 2 ( 26 ) Las ondas difractadas por el defecto se denominarán: onda de borde superior (UT) y onda de borde inferior (LT), donde sus trayectorias dependerán tanto de la posición 5 Elementos (comúnmente de Plexiglás ) que son utilizados para variar el ángulo de incidencia. 6 En otras variables de la técnica TOFD se emplean más de un par de transductores. 24

38 Capítulo 1: Conceptos Teóricos relativa del defecto entre los dos transductores como de su inclinación. Si suponemos el caso de la Figura 18, con el defecto en el centro de los transductores a una profundidad (L), en posición vertical y con una longitud (d) de la discontinuidad, se pueden estimar las trayectorias con las siguientes expresiones Tiempos de vuelo UT = 4L 2 + (2S) 2 ( 27 ) LT = 4(L + d) 2 + (2S) 2 ( 28 ) Conociendo las velocidades C L y C T de la probeta inspeccionada así como las trayectorias correspondientes, se pueden calcular los diferentes tiempos de vuelo de cada una de las ondas descritas, mediante siguientes las expresiones: t LW = LW C L ( 29 ) t BW = BW C L ( 30 ) t UT = UT C L ( 31 ) t LT = LT C L ( 32 ) Estos tiempos calculados están representados en la Figura 21 y corresponden al caso cuando se utilizan ondas longitudinales. Figura 21.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas longitudinales. Cuando se emplean ondas transversales, las expresiones anteriores son modificadas con la velocidad transversal de propagación de las ondas en la probeta. t TLW = TLW C T ( 33 ) t TBW = TBW C T ( 34 ) 25

39 Capítulo 1: Conceptos Teóricos t TUT = TUT C T ( 35 ) t TLT = TLT C T ( 36 ) De manera similar estos tiempos están representados en la siguiente figura. Figura 22.- Señal temporal de la técnica TOFD con ondas transversales. En los A-Scans anteriores se destaca un efecto: las ondas laterales presenta una fase invertida respecto a las reflejadas o ecos de fondo, así como también lo hacen las ondas difractadas, una respecto a la otra. Se debe considerar este fenómeno a la hora de dimensionar el defecto [10] Ángulos de refracción El ángulo de refracción o transmisión de las onda longitudinales (α tl ) y transversales (α tt ) depende del tipo de material inspeccionado y de su correspondiente ángulo de incidencia (α il ), este último puede ser variable en algunos transductores o fijo de acuerdo a la cuña de acople que se utilice y para su cálculo se emplean las ecuaciones de Snell ( 15 ) descritas anteriormente. En esta técnica es conveniente conocer los ángulos de los ejes imaginarios con el cual los haces son trasmitidos dentro de la probeta, con la finalidad de poderlos focalizar a la profundidad con mayor probabilidad de presentar discontinuidades y, así lograr una mejor detección y dimensionamiento de los defectos [11] Zonas Muertas Una de las desventajas de la técnica TOFD es que existen dos zonas muertas (Figura 18), la primera de ellas está cerca de la superficie superior (OD) y la segunda en la cara opuesta (ID) de la probeta de inspección, en estas zonas por lo general no se pueden llegar a dimensionar con exactitud el tamaño de los defectos, pero si detectarlos cuando estos están abiertos al exterior. Es importante identificar la profundidad de estas zonas y la norma UNE EN nos proporciona las expresiones ( 37 ) y ( 38 ) para su cálculo, teniendo en cuenta que el valor de t p corresponde al tiempo de duración de la excitación del transductor y por ende la duración del pulso ultrasónico emitido y H el espesor del material de inspección. 26

40 Capítulo 1: Conceptos Teóricos OD = C2 t p 2 ID = ( C2 (t p + t BW ) C S t p 2 ( 37 ) S 2 ) 1/2 H ( 38 ) Estas dos zonas muertas pueden ser reducidas mediante la disminución de la distancia 2S existente entre los dos transductores y, el empleo de tiempos más cortos de excitación del transductor [11] Resolución espacial Ésta se define como el grado con el que los defectos (llamados difractores) próximos pueden distinguirse unos de otros. En la norma UNE EN establece que este valor está en función de la profundidad de la probeta y puede calcularse con la siguiente fórmula: R = ( C2 (t l + t p ) 2 4 S 2 ) 1/2 LR ( 39 ) Donde t p es el tiempo de duración del pulso y t l corresponde al tiempo de vuelo a la profundidad LR. Concluyendo que la resolución aumenta con la profundidad y se puede mejorar disminuyendo la distancia ente palpadores o la duración del pulso acústico [11]. 27

41 2 Capítulo 2: Desarrollo Experimental

42 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.1 Introducción En la actualidad existe un sinnúmero de equipos ultrasónicos compactos adaptados a la técnica TOFD y están diseñados específicamente para inspecciones en soldaduras de materiales metálicos. Sus configuraciones y accesorios permiten simplificar enormemente el tiempo de intervención en la inspección en un gran número de tipologías de soldaduras, sin embargo, una adquisición de estos equipos específicos, implica la inversión de una considerable cantidad de dinero. Partiendo del capítulo anterior, se constata que para el funcionamiento y aplicación de esta técnica se pueden emplear los mismos equipos de otros procedimientos de inspecciones con ultrasonidos, por lo tanto, se podría desarrollar un sistema configurable TOFD a partir de los existentes en un laboratorio de investigación. El desempeño y eficiencia que se puede obtener con estas configuraciones dependen de muchos factores, como por ejemplo: la calibración y parámetros de los equipos, restricciones constructivas de los transductores, compatibilidad de hardware y software, entre otros. El sistema TOFD configurable que se pretende obtener haciendo uso de lo disponible en el laboratorio, es que a diferencia de los equipos comerciales que se limitan a evaluaciones de soldaduras en el sector metalúrgico, éste podrá ser empleado en otras aplicaciones que aún no son explotadas, como por ejemplo, en la detección y caracterización de patologías de materiales constructivos. En este capítulo se aborda el desarrollo experimental de esta técnica utilizando los equipos disponibles en el laboratorio, por lo tanto, se empieza describiendo cada uno de ellos, rescatando sus características principales y las funciones que desempeñan dentro de la adquisición y digitalización de las señales ultrasónicas. Además de estos, también se describen los materiales empleados en los respectivos ensayos, calculando de forma experimental las principales características acústicas, como es la velocidad de propagación de la onda. Se desarrolla una aplicación en Excel sobre los principales parámetros de configuración que tiene cada ensayo, permitiendo establecer de forma anticipada, el proceso y los valores adecuados en que deben ser configurados los equipos para conseguir los mejores resultados. Se aborda sobre el proceso de adquisición de la señal ultrasónica, el filtrado analógico, la digitalización y almacenamiento de la información obtenida, así como el procesamiento posterior que es realizado para facilitar el análisis de las imágenes de los B-Scans. Finalmente se presentan varias mediciones sobre las probetas ensayadas con sus respectivas imágenes, mostrando de esta manera, su efectividad en la detección y medición de fallos, como también las limitaciones intrínsecas en el uso de esta técnica no destructiva. 29

43 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.2 Equipos de medida Este trabajo se ha realizado en el laboratorio del Grupo de Tratamiento de Señal del iteam de la UPV y por ende los equipos empleados son los que se hallan en este centro de investigación. Además del hardware disponible del que se hace uso en este trabajo, se emplean softwares específicos desarrollados previamente por este centro para la adquisición y almacenamiento de las señales. A continuación se describen los diferentes equipos utilizados y los materiales que se han empleado como probetas o piezas de inspección, mostrando así sus características más importantes Equipo de ultrasonidos MATEC PR5000 El MATEC PR5000 es un equipo mono-canal, capaz de trabajar en modo de Pulso/Eco o Transmisión/Recepción, como esta técnica emplea dos transductores, uno como trasmisor y otro como receptor, el equipo se configura para la segunda opción. Figura 23.- Pantalla frontal de parametrización del MATEC PR5000 En la Figura 23 se muestra el teclado y la pantalla frontal del MATEC PR5000, en donde se ha parametrizado las condiciones de transmisión y recepción de las señales ultrasónicas. A modo de ejemplo, los valores visualizados en esta figura están detallados en la Tabla 6, que corresponden a uno de los primeros ensayos realizados en este trabajo. Tabla 5.- Parámetros de configuración empleados en la medición de las velocidades acústicas. PARÁMETRO ACRÓNIMO VALOR UNIDADES Parámetros de Transmisión Parámetros de Recepción Pulso de repetición PRF 100 Hz Anchura del pulso ultrasónico WIDTH 1 µs Frecuencia del transductor FREQ 1 MHz Amplitud AMP 87 % Modo de disparo Tr Tr+I Interno flanco positivo Ganancia GAN 8 db Filtro paso bajo LPF 2.25 MHz Filtro paso alto HPF 200 khz Rectificación RECT RF Modo [PE] o [TT] TT Transmisión Recepción 30

44 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Parámetros de Transmisión La Frecuencia del Pulso de Repetición (PRF) corresponde a la frecuencia con la cual el equipo emite el tren de pulsos para la excitación del transductor, en este caso se ha seleccionado 100 Hz que equivalen a 10ms entre pulsos consecutivos. Este es seleccionado adecuadamente para evitar el solapamiento entre las señales contiguas generadas. El Ancho de Pulso (WIDTH) corresponde a la duración temporal en que se está excitando al transductor. Este valor será modificado convenientemente para los diferentes ensayos en función de la frecuencia (f c ) del transductor, ya que en la técnica TOFD, el número de pulsos recomendable es de 1 a 1.5 ciclos completos, por lo tanto, la estimación de este tiempo estará dado por la siguiente expresión. t p f c ( 40 ) Por ejemplo, si queremos generar 1.5 pulsos ultrasónicos completos con un transductor de 2MHz, se deberá parametrizar este tiempo de excitación a 0.75µs. La Frecuencia del Transductor (FREQ) corresponde a la frecuencia de excitación con que se genera el pulso descrito anteriormente y dependerá de la frecuencia natural (f c ) del cristal piezoeléctrico. La Amplitud (AMP) corresponde al porcentaje del máximo voltaje de excitación posible (1000 Voltios pico-pico) que genera este equipo. El valor será modificado en función del grado de atenuación que experimenta la señal al atravesar la pieza de ensayo, se incrementa cuando se necesita una mayor potencia de penetración en la probeta y se reduce para el caso contrario. El Modo de Disparo indica la forma cómo es activado el pulso de excitación del transmisor, el mismo que ha sido seleccionado para que se realice de forma interna y con flanco positivo. Este parámetro se modificaría a otro estado, por ejemplo, cuando el proceso estuviese retroalimentado por un sistema automatizado externo, que no es el caso en este trabajo Parámetros de Recepción La Ganancia (GAN) es la amplificación de la señal captada por el receptor, que ayuda a contrarrestar la atenuación que experimenta la señal cuando ésta atraviesa la pieza de inspección. Los Filtros de Paso Alto y Bajo (LPF y HPF) son los parámetros con los cuales actúan los filtros analógicos del equipo para atenuar las componentes en frecuencia que estarían fuera de los valores introducidos. Estos parámetros son modificados en función de la frecuencia de excitación del transductor. La Rectificación (RECT) de la señal no es aplicada en esta técnica, por lo tanto, todo el pulso (ciclos positivos y negativos) es captado íntegramente mediante el estado RF. 31

45 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Osciloscopio El osciloscopio que se emplea en este trabajo es el PDO3014 de la marca Tektronix, que cuenta con cuatro canales y las características mostradas en la Figura 24. Básicamente es el equipo de muestreo que se utiliza para la visualización de las diferentes trazas temporales registradas por el transductor en cada medida. Los datos digitalizados por el osciloscopio son almacenados en un ordenador externo mediante una conexión USB y un programa de adquisición de datos desarrollado en matlab. CARACTERÍSTICAS Ancho de Banda Límite de ancho de banda Número de canales Max Frecuencia de Muestreo Longitud de registro VALOR 100MHz 20MHz 4 Canales 1.25Gmuestras/s 10000puntos Figura 24.- Osciloscopio Tektronix DPO3014 y sus características principales Transductores Para la técnica TOFD, lo conveniente es contar con transductores de ángulo incidente variable para controlar el ángulo de incidencia y por ende el ángulo de la onda trasmitida en el material de inspección. En este trabajo se ha aprovechado los diferentes tipos de transductores existentes en el laboratorio, algunos de ellos son de ángulo variable en un único cuerpo y otros en cambio pueden ser acoplados a diferentes cuñas. En la Figura 25 tenemos los transductores de 2 MHz que posibilitan variar el ángulo de incidencia. Figura 25.- Transductor MUWB-N de 2MHz Además de los anteriores, en la Figura 26 están los transductores independientes a la cuña de acople, con frecuencias de 5 y 10 MHz respectivamente y un diámetro aproximado de 6 mm de los elementos piezoeléctricos. 32

46 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Cuñas de acople y cables. Figura 26.- Transductores de 5MHz y 10MHz. Para los transductores independientes, existen cuñas de acople de diferentes ángulos de incidencia, estos están fabricados con un material muy característico como es el Plexiglás (C L_plexiglás = 2730 m/s). Cabe recalcar que el valor de los ángulos marcados en una de sus caras laterales, no corresponden los ángulo de incidencia de las mismas, haciéndose necesario medirlos y en función de las velocidades acústicas de los materiales, calcular los ángulos con que son refractados los haces ultrasónicos en el interior del material de prueba. Figura 27.- Cuñas con diferentes ángulos de incidencia. Los ángulos de incidencia correspondientes a cada una de las cuñas están expuestos en la siguiente tabla: Tabla 6.- Ángulos de incidencia de las cuñas de acople. CUÑA ÁNGULO DE INCIDENCIA Los cables utilizados en estos ensayos son de tipo coaxial, de baja impedancia (50Ω), adecuados para señales RF de alta frecuencia y sus terminales cuentan con conectores British Naval Conector (BNC). Ver Figura

47 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Figura 28.- Cables coaxiales y conectores. 34

48 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.3 Materiales para Ensayos Las probetas utilizadas en estos ensayos son de dos tipos de materiales, el primero corresponde a uno que comercialmente se lo denomina duraluminio (ρ 9870kg/m 3 ), que es a una aleación de aluminio y cobre; en cambio, el segundo material es hierro, sobre el cual se ha elaborado la soldadura de unión entre dos placas de similares dimensiones. En los ensayos no destructivos (END) y particularmente en esta técnica, es necesario conocer el parámetro acústico más importante de un material, que es la velocidad de propagación de las ondas, tanto para las transversales como longitudinales. A continuación se describen estas probetas con sus principales características, tanto físicas como acústicas, además del procedimiento efectuado para el cálculo de la velocidad Cálculo de la Velocidad Acústica La estimación de la velocidad acústica en estas probetas se empieza con la medición del tiempo (t) que toma un pulso ultrasónico atravesar el espesor (e) de la probeta y si dividimos esta última longitud por el valor temporal registrado, se obtiene la velocidad acústica (C) del material. C _ = e t ( 41 ) Figura 29.- Medición de velocidad longitudinal en probeta de duraluminio Se asume que todas las piezas de duraluminio comparten las mismas características acústicas, por lo que solo se procedió a medir y calcular la velocidad de una de ellas (Figura 29). Luego, con el fin de reducir el error aleatorio, se ha realizado nueve mediciones sobre esta pieza, tres medidas por cada una de sus dimensiones (ancho, largo y alto), donde a modo de ejemplo, en la Figura 30 se representa el registro temporal de las tres señales acústicas medidas a lo largo (220mm) de la probeta y de las cuales se tomó los tiempos respectivos. Además, otra forma de aumentar la precisión, fue tomar varios rebotes del pulso acústico, por lo que la fórmula ( 41 ) es modificada tomando en cuenta estas consideraciones. 35

49 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Figura 30.- Señal temporal para el cálculo de la velocidad longitudinal del duraluminio Finalmente, con los valores (N = 9) de las velocidades calculadas, se puede obtener el promediado y la desviación estándar de la velocidad acústica, aplicando las fórmulas ( 42 ) y ( 43 ) respectivamente. Cabe recalcar que este procedimiento fue empleado para calcular la velocidad longitudinal, en cambio para la velocidad transversal se utiliza otro procedimiento que está detallado más adelante. σ = ( 1 C = 1 N N C i i=1 N N 1 (C i C ) 2 i=1 1/2 ) ( 42 ) ( 43 ) La velocidad longitudinal obtenida para la probeta de duraluminio es de: C L_duraluminio = 6367 m/s con una desviación estándar de σ = 64 m/s. Manteniendo el mismo procedimiento anterior no se puede calcular la velocidad transversal, debido a que los pulsos de estas ondas no se distinguen fácilmente en las señales temporales de la Figura 30, por este motivo, se opta por una medición en diagonal como está representado en la Figura 31. Primeramente, con esta disposición logramos descartar la presencia de ondas longitudinales en el material, luego, manteniendo fijo el trasmisor y con un recorrido controlado del receptor en la cara opuesta de la probeta, se busca el pico de mayor amplitud de la señal acústica, una vez localizado, se mide el tiempo que toma la onda en atravesar el eje imaginario del haz ultrasónico entre estos dos puntos. Con la aplicación de la ecuación ( 41 ) se logra obtener la velocidad trasversal dentro de la probeta de duraluminio, que tiene un valor de C T_duraluminio = 3038 m/s. Figura 31.- Medición de velocidad transversal en probeta de duraluminio 36

50 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Probetas para Ensayos En este apartado se describen las probetas utilizadas en este trabajo con sus características físicas y acústicas correspondientes, así como la descripción de los defectos artificiales provocados en cada uno de ellas. La Probeta 01 utilizada anteriormente para la medición de velocidades de propagación de las ondas, por lo cual no posee ningún defecto en su estructura. Sus dimensiones físicas están descritas a continuación. Probeta P01 Material: Duraluminio Longitud: 220 mm Ancho: 70 mm Altura: 50 mm C L 6367 m/s C T 3038 m/s Figura 32.- Probeta P01 de duraluminio sin defecto. La Probeta 02 tiene similares dimensiones que la anterior, diferenciándose únicamente por el agujero de 10 mm de diámetro que está perforado a lo ancho de la probeta y equidistante a 18 mm de la cara inferior. Probeta Material: P02 Duraluminio Longitud: 220 mm Ancho: 70 mm Altura: mm C L 6367 m/s C T 3038 m/s Figura 33.- Probeta de duraluminio con agujero 37

51 Capítulo 2: Desarrollo Experimental La Probeta 03 cuenta con dos agujeros perforados, uno de 10 mm y el otro de 13 mm de diámetro aproximadamente, las características son las siguientes: Probeta Material: P03 Duraluminio Longitud: 220 mm Ancho: 50 mm Altura: mm C L 6367 m/s C T 3038 m/s Figura 34.- Probeta de duraluminio con dos agujeros. La Probeta 04, cuenta con un corte de mm de profundidad y 5 mm de ancho en una de sus caras, tal como se aprecia en la siguiente figura: Probeta Material: P04 Duraluminio Longitud: 220 mm Ancho: 50 mm Altura: 72.3 mm C L 6367 m/s C T 3038 m/s Figura 35.- Probeta de duraluminio con corte en una sus caras. 38

52 Capítulo 2: Desarrollo Experimental La Probeta 05 corresponde a un material de hierro y con un cordón de soldadura que une dos placas del mismo metal. Con el procedimiento de trasmisión de pulsos ultrasónicos se determinó la velocidad de propagación de las ondas longitudinales (Figura 36). Figura 36.- Medición de la velocidad acústica de la probeta 05. De la misma manera, la estimación de la velocidad transversal de la placa de hierro se realizó con el mismo proceso empleado en las probetas de duraluminio, tendiendo los resultados de la siguiente tabla. Probeta Material: P05 Hierro Longitud: 2x200 mm Ancho: 200 mm Altura: 10 mm C L 5960 m/s C T 3160 m/s Figura 37.- Probeta de hierro con cordón de soldadura. Es importante resaltar que en los procedimientos de cálculo de la velocidad acústica, se debió tomar en cuenta los retrasos temporales (t r ) que se producían dentro de la propias cuñas de acople, sobre todo en el caso del cálculo de la velocidad transversal. 39

53 Capítulo 2: Desarrollo Experimental En la Probeta 06 se realizó un corte más fino en la mitad de una de sus caras, con un ancho de 1.15 mm y una profundidad de mm. Probeta Material: P06 Duraluminio Longitud: 220 mm Ancho: 70 mm Altura: 50 mm C L 5960 m/s C T 2980 m/s Figura 38.- Probeta de duraluminio con corte fino en una de sus caras 40

54 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.4 Hoja de Cálculo y Parámetros de configuración TOFD Con el propósito de simplificar las operaciones matemáticas que se necesitan para el cálculo de los parámetros de la configuración de la técnica TOFD, se ha recurrido al uso del software Excel de Microsoft. En este programa se ha elaborado una hoja de cálculo que permite manipular indistintamente cada una de las variables de las distintas fórmulas empleadas en esta técnica, de esta manera es posible valorar los parámetros óptimos para el ensayo. También fue necesario emplear gráficos dinámicos para hacer una representación visual de los parámetros obtenidos y conocer el comportamiento de las ondas ultrasónicas dentro del material de ensayo. Un ejemplo de estos gráficos es la mostrada en la Figura 39, en donde están representados los ejes imaginarios de los haces ultrasónicos, trayectorias, zonas muertas, ángulos de incidencia, de refracción, separación de los transductores, entre otros datos. REPRESENTACIÓN GRÁFICA TOFD Z [mm] Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P02 Duraluminio Transversal Figura 39.- Gráfica dinámica de Excel desarrollada para la parametrización de la técnica TOFD. Para llegar a la gráfica anterior, fue necesario elaborar una hoja de cálculo que recoja cada una de las fórmulas necesarias y descritas en el capítulo uno, además de adoptar unas hipótesis y situaciones ideales que difícilmente se dan en la realidad, pero que son suficientes para tener una buena aproximación de la misma. El desarrollo de esta aplicación tuvo diferentes etapas y fue evolucionando paulatinamente gracias a los resultados generados experimentalmente, permitiendo así, corroborar la aproximación que tienen estos cálculos con la realidad y los equipos utilizados en este trabajo. El empleo de esta herramienta contribuye a reducir el tiempo en la configuración de los parámetros utilizados en la inspección, optimizando de esta manera sus resultados, ya que permiten conocer plenamente en qué sección de la probeta se está centrando el análisis a través de la representación gráfica. 41

55 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Dentro de esta hoja de cálculo, las variables están grupadas con aquellas que comparten similares características o que pertenecen a un elemento común utilizado en esta técnica, como por ejemplo: transductores, probeta, pulsos ultrasónicos, tiempos de vuelo, zonas muertas y trayectorias. El extracto de la hoja de Excel está en la Figura 40 y en el apartado siguiente se explica cómo está constituida esta herramienta, qué significa cada variable y cómo debe ser utilizada. 1.0 CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES Y CUÑAS 1.1 Frecuencia f: 10 MHz 1.2 Diámetro D: 6 mm 1.3 Altura origen de haz e: 11 mm 1.4 Ángulo incidencia transductor αi: Material de Cuña - Plexiglás Velocidad Longitudinal de cuña CL1: 2730 m/s 1.7 Velocidad transversal de cuña CT1: 1430 m/s 1.8 Desfase horizontal origen de haz -y: 4.4 mm 2.0 CARACTERÍSTICAS DE LA PROBETA 2.1 Probeta - material P02 Duraluminio 2.2 Tipo de onda utilizada Transversal 2.3 Velocidad C2: 6367 m/s 2.4 Espesor de probeta H: 50.0 mm 2.5 Separación de transductores 2S: mm 2.6 Separación recomendada (EN-583-6) 2S': mm 2.7 Ángulo refractado αt: Longitud total de probeta LP: 250 mm 3.0 CARACTERÍSTICAS DE PULSO ULTRASÓNICO 3.1 Longitud de onda ʎ: 0.6 mm 3.2 Número de pulsos CN: 1.5 ʎ's 3.3 Duración de pulso tp: 0.2 µs 4.0 TIEMPOS DE VUELO 4.1 Retraso en cuñas (2X) tr: 8.7 µs 4.2 Tiempo vuelo onda lateral tlw: 18.8 µs 4.3 Tiempo vuelo onda lateral + retraso tlw+tr: 27.5 µs 4.4 Tiempo vuelo eco de fondo tbw: 24.5 µs 4.5 Tiempo vuelo eco de fondo + retraso tbw+tr: 33.2 µs 4.6 Profundidad de resolución R LR: 26 mm 4.7 Tiempo de vuelo resolución R tr: 20.5 µs 4.8 Resolución espacial R: 1.2 mm 4.9 Intersección de ejes de haces Tx y Rx L: 33.4 mm 5.0 ZONAS MUERTAS 5.1 Zona muerta superior OD: 7.6 mm 5.2 Zona muerta inferior ID: 0.7 mm 6.0 DIVERGENCIA DEL HAZ 6.1 Límite de referencia db: Constante K: Ángulo de difracción (ф/2) γ: Angulo aux superior (αt+ф) αts: Angulo aux inferior (αt-ф) αti: PARÁMETROS DE SOLDADURA 7.1 Abertura Superior AS: 25.0 mm 7.2 Abertura Inferior AI: 5.0 mm 7.3 Longitud de bisel LB: 25.0 mm Figura 40.- Hoja de cálculo desarrollado para la parametrización de la técnica TOFD. 42

56 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Características de los Transductores y Cuñas de acople En esta sección de la hoja de cálculo se introducen las características tanto de los transductores como de las cuñas de acople que se van a utilizar en el ensayo. Para el primer elemento es la frecuencia (f c ) y el diámetro (D) del cristal piezoeléctrico; en cambio, para el medio de acople, la altura (e) del origen del haz con respecto a la base de la cuña, ángulo de incidencia (α i ), material del que está fabricado (por lo general Plexiglás ) y sus respectivas velocidades acústicas (C L, C T ). Figura 41.- Parámetros característicos de las cuñas de acople. El valor del desfase horizontal ( y) no es necesario introducir ya que es calculado automáticamente a partir del ángulo de incidencia (α i ) y de la altura del origen del haz (e). Estas dimensiones que describen el origen real del haz ultrasónico, son necesarias para posteriormente calcular la trayectoria que recorre la onda dentro de la cuña y por ende el tiempo de retraso (t r ) antes de llegar a la probeta. En la siguiente tabla se muestra las características de cada una de las cuñas que se han utilizado en este trabajo: Tabla 7.- Dimensiones y características de las cuñas de acople. ÁNGULO DE ALTURA VELOCIDAD CUÑA INCIDENCIA REAL ORIGEN HAZ (C (α i ) (e) L ) Transductor de 2MHz Variable 11mm mm m mm Características de las Probetas de Ensayo. 2730m/s En este apartado, a modo de información se introducen: la identificación de la probeta, el material que está constituido y el tipo de onda utilizado en el ensayo, este último parámetro es muy importante describirlo para indicar qué velocidad se ha empleado en esta técnica. 43

57 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Adicionalmente y para los cálculos posteriores se deben introducir: la velocidad acústica (C L o C T ) y las dimensiones, tanto el espesor (H) como la longitud de la probeta (LP). Automáticamente con los datos introducidos hasta el momento y basándonos en las recomendaciones de la norma CEN/TS 14751:2004 [12] que reglamenta las inspecciones de soldadura por medio de esta técnica, sugieren que: para espesores (H) de 6 hasta 50 mm, se deben procurar que los ejes imaginarios de los haces refractados dentro de la probeta, tengan una intersección a dos tercios (2H/3) de la cara superior de la misma, por tal motivo, el valor 2S corresponde a la distancia recomendada a la que deben estar enfrentados los dos transductores, sin que esto sea obligatorio acoger, pero sin duda, constituye un punto de partida para estimar la separación adecuada para cada ensayo. El valor de 2S es calculado en función del espesor y del ángulo refractado, aplicando la siguiente expresión: 2S = 4 3 H tan α r ( 44 ) La separación (2S) real con que los transductores son enfrentados en la práctica, debe ser introducido en la celda correspondiente, que a su vez es necesaria para los cálculos posteriores. Hay que tener en cuenta que este valor es medido a partir de la intersección del eje del haz incidente sobre la probeta, tal como se puede ver en la siguiente figura. Figura 42.- Separación (2S) entre transductores Características del Pulso Ultrasónico En esta sección de la hoja de cálculo, se calcula la longitud (λ) de la onda acústica en milímetros, para ello se ha empleado la ecuación ( 3 ) que está expresado en función de la frecuencia del ultrasonido y la velocidad acústica del material de ensayo. Adicionalmente, se puede calcular el tiempo de excitación o duración del pulso (t p ) en función del número de ciclos completos (CN) de onda que deseemos utilizar para el ensayo, esto es importante, ya que esta técnica se caracteriza por el empleo de pulsos de corta duración, aproximadamente entre 1 y 1.5 ciclos completos. Este valor calculado, sirve para programar en el equipo ultrasónico el tiempo de excitación que se aplicará al transductor. 44

58 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Este tiempo es calculado con la siguiente fórmula: t p = f 1 CN ( 45 ) Cálculos del Tiempo de Vuelo En esta sección y con los valores introducidos anteriormente, se calculan los diferentes tiempos de vuelo de las ondas acústicas empleadas en esta técnica. Dichas ondas fueron descritas en el capítulo uno, así como sus respectivas fórmulas de cálculo. Además, se calculan los tiempos de retraso (t r ) que le toma al pulso atravesar las dos cuñas de acople. Esto es requerido posteriormente para compensar los tiempos de vuelo teóricos que son representados en el B-Scan respectivo. El dimensionamiento y localización de los defectos observados en las imágenes de los B-Scans dependen de que estos tiempos sean correctamente calculados. Igualmente, existe la posibilidad de introducir un valor de longitud LR, que representa la profundidad de la resolución que deseamos conocer. Variando este parámetro se puede calcular el tiempo de vuelo (tr) y la resolución espacial (R) de un punto cualesquiera y de interés entre el borde superior e inferior de la probeta. En la Figura 39, ésta profundidad está representada por una línea de color marrón, que es perpendicular a la superficie de la probeta y está en el centro de los dos transductores. Finalmente, observando de nuevo la figura antes citada, la resolución espacial (R) calculada con la fórmula ( 39 ), está representada por el espacio comprendido entre las dos líneas paralelas de color verde Cálculo de Zonas Muertas Cómo ya se mencionó en el apartado correspondiente sobre las zonas muertas; que debido a la duración pulso transmitido, se produce una pérdida de información junto a los bordes de la probeta y es donde no se pueden dimensionar los fallos. Para el cálculo de estos espesores (OD y ID) se emplean sus correspondientes ecuaciones ( 37 ) y ( 38 ) y en la Figura 39 están representadas por las líneas amarillas Cálculo del Ángulo de Divergencia del Haz Ultrasónico. En esta hoja de cálculo no se tiene como objetivo principal obtener el ángulo de divergencia del haz ultrasónico para un valor de atenuación específico, sin embargo, se ha considerado necesario hacer una estimación aproximada del mismo, con el fin de ser representado en el gráfico dinámico y conocer el comportamiento de la apertura del haz dentro del material estudiado. En la siguiente figura y sin considerar el campo cercano del haz ultrasónico, están trazados los bordes del ángulo de divergencia a partir del origen del cristal piezoeléctrico para una atenuación de -24dB. Estas líneas de color verde atraviesan la cuña de acople y 45

59 Capítulo 2: Desarrollo Experimental finalmente pasan hacia el material de inspección, con una leve variación del ángulo que dependerá de las características acústicas de los dos medios. Ahora, si asumimos que el haz no se origina en el cristal, sino que empieza en la intersección entre el haz incidente y la superficie del material, podemos darnos cuenta que los nuevos bordes representados de color azul, no difieren en gran magnitud con los límites reales. Por lo tanto, en esta sección se ha procedido a estimar los bordes de apertura del haz para aun atenuación de -24dB, únicamente a partir de la intersección entre el haz incidente y la probeta, tal como se observa en la siguiente figura. Figura 43.- Ángulos de divergencia del haz ultrasónico con interacción de dos medios. En el gráfico dinámico de la Figura 39 están representados estos bordes del haz divergido para una atenuación de -24dB, pudiendo ser modificados para otros niveles de atenuación, únicamente variando el valor de la constante K en la hoja de cálculo. 46

60 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.5 Adquisición y Tratamiento de Señales Ultrasónicas En esta técnica de ensayos no destructivos para la generación y adquisición de las señales ultrasónicas se han empleado los equipos detallados en los incisos anteriores y, en el esquema de la Figura 44 se muestran como están conectados cada uno de ellos. Los dos transductores {1} son conectados a los bornes de equipo ultrasónico MATEC PR5000 {3} a través de los dos cables {2} de baja impedancia (50Ω) que, respectivamente, el primero de ellos alimentará y excitará al transmisor con una señal eléctrica de voltaje elevado (<1000Vpp) y el segundo en cambio retornará la señal de bajo voltaje generado por el transductor receptor. El osciloscopio {5} emplea dos de sus cuatro canales para comunicarse con el equipo ultrasónico mediante otro par de cables {4} que así mismo son de baja impedancia. A través del primer canal, el osciloscopio recibe la señal ultrasónica acondicionada y amplificada, en cambio por el segundo se capta la señal de disparo o Trigger, que servirá para referenciar los distintos tiempos de vuelo que son utilizados dentro de esta técnica de inspección ultrasónica. Figura 44.- Esquema del montaje experimental empleado para el desarrollo de la técnica TOFD. Finalmente, se emplea un cable de conexión estándar USB {6} para comunicar el osciloscopio con el ordenador {7} y trasmitir las diferentes señales digitalizadas de los múltiples registros temporales. En la Figura 45, se hace una descripción de cómo los diferentes parámetros configurables utilizados en los equipos, actúan sobre la señal ultrasónica medida, es decir, se detalla el proceso de adquisición de los diferentes A-Scans que posteriormente serán procesados para obtener las imágenes B-Scans que son características de esta técnica TOFD. En esta figura, respectivamente un transductor trabaja en transmisión y el otro en recepción; el primero de ellos, el transmisor (Tx), es excitado por la generación de un pulso eléctrico proveniente del equipo ultrasónico MATEC PR5000, en dónde se parametriza la frecuencia de repetición en PRF, la duración del pulso (t p ) con la entrada 47

61 Capítulo 2: Desarrollo Experimental WIDTH, la frecuencia de excitación (f c ) con el parámetro FREQ y la amplitud de la señal con el valor introducido en AMP. Además de los anteriores, aquí se determina el modo de disparo del pulso que, para todo los ensayos se ha utilizado un disparo interno con flanco positivo (Tr + I). Figura 45.-Proceso de configuración de equipos para la adquisición de A-Scans. Al excitarse el trasmisor (Tx), la señal eléctrica es convertido a un pulso de presión acústica que viaja por la probeta para posteriormente ser captado en el transductor receptor (Rx). El cristal piezoeléctrico de este último, convierte las ondas acústicas en señales eléctricas que son enviadas por el cable respectivo al equipo ultrasónico. Las características principales de esta señal eléctrica son: baja amplitud, gran vulnerabilidad a ser contaminada con ruido electromagnético debido a su baja relación señal ruido (SNR 7 ) y gran atenuación, por lo que la longitud del cable que lo comunica con el equipo ultrasónico, debe ser lo más corto posible y de una impedancia muy baja [13]. Posteriormente, la señal recibida en el equipo ultrasónico pasa por una etapa de amplificación, que mediante la entrada GAN, se establece la ganancia en valores de decibelios (db). El valor de la ganancia en la mayoría de los ensayos es mayor a 30dB, esto se justifica porque en esta técnica se miden señales difractadas que se caracterizan por su baja amplitud. Luego se aplica un filtrado analógico que es parametrizable con las entradas LPF (filtro paso bajo) y HPF (filtro paso alto), descartando así, el contenido en frecuencia que está fuera de estos límites introducidos. 7 Nivel de amplitud entre la señal que se transmite y el ruido de fondo que la distorsiona [10]. 48

62 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Posteriormente de ser acondicionada la señal, ésta se envía al osciloscopio para realizarle la conversión de analógica a digital. En este equipo se ha parametrizado para todos los casos, una longitud de registro (N p ) de puntos (Record Length 8 ), por lo que al seleccionar el tiempo de registro (T s ) mediante el ajuste de la escala de visualización en la pantalla, estaríamos modificando la frecuencia de muestreo (f s ) que es calculada con la siguiente fórmula. f s = N p T s ( 46 ) Ahora, los diferentes tiempos de vuelo de las ondas ultrasónicas de los ensayos realizados, no superan en ningún caso los 100µs, por lo que el ajuste en la pantalla del osciloscopio no será mayor al mismo. Si remplazamos éste valor en la ecuación anterior, como si se tratara del máximo tiempo de registro, obtenemos una frecuencia mínima de muestreo equivalente de 100MHz, que correspondería al caso más desfavorable. Para tiempos de registro menores (T s < 100µs), la frecuencia de muestreo será mayor a 100MHz, mejorando aún más la resolución (Δt s ) de las ondas digitalizadas. Esta resolución puede ser calculada con la siguiente ecuación: t s = f s 1 ( 47 ) Para el caso anterior y registros temporales (T s ) menores a 100µs, la resolución temporal será menor a: t s = 1 1 = mínima f s 100MHz = 10ns Los distintos A-Scans visualizados en el osciloscopio con una resolución de Δt s, corresponden a la digitalización de la señal analógica previamente receptada desde el equipo ultrasónico MATEC PR5000. Esta información se almacena temporalmente en la memoria interna del osciloscopio, conformado por una matriz de valores numéricos que abarcan el tiempo registrado T s muestreado a una frecuencia de f s. Finalmente, cada uno de los A-Scans es llevado al ordenador mediante una interfaz de adquisición desarrollada en el entorno de Matlab para ser guardados en archivos con la extensión.mat, posibilitando así, su posterior procesamiento y generación de imágenes B-Scan. digitalizados. 8 Parámetro de entrada en el osciloscopio Tectronix PDO3014 para definir el número de puntos 49

63 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.6 Generación de Imágenes TOFD En el siguiente esquema se muestra el proceso para la obtención de los resultados de cada uno de los ensayos realizados. La primera etapa relacionada con la adquisición de las señales ultrasónicas fue explicada minuciosamente en el apartado anterior, por lo que en esta sección abarcaremos los procesos de almacenamiento y gestión de A-Scans, su posterior análisis y finalmente la visualización de los resultados obtenidos a través de sus respectivas gráficas B-Scan. Figura 46.- Esquema de: adquisición, procesamiento y generación de B-Scans Almacenamiento y Gestión de A-Scans. En la Figura 47 se representa el recorrido de los transductores a lo largo del eje x, donde cada cierta distancia van generando un nuevo A-Scan, estos datos luego de ser acondicionados y digitalizados, son almacenados en matrices fila de la forma [a 11,, a 1j,, a 1Np ]. Figura 47.-Recorrido de transductores y adquisición de A-Scans. Luego, en función de la distancia analizada y el intervalo en que son tomadas las mediciones, todas éstas se agrupan en matrices con un número de Nscans, tal como se expresa a continuación. a 11 a 1j a 1Np A = a i1 a ij a inp [ a Nscan1 a Nscanj a Nscan Np] ( 48 ) 50

64 Capítulo 2: Desarrollo Experimental En este trabajo, la matriz anterior se ha guardado en ficheros compatibles con el programa de Matlab, permitiendo así, el análisis diferido de estos datos para la generación de resultados visuales Generación de B-Scans. A continuación se explica cómo son generadas las gráficas B-Scans, sin olvidar que su utilidad posterior estará condicionada por la información que podamos extraer de ellas; por lo que antes de la obtención de los resultados finales, la información deberá ser analizada y procesada adecuadamente. Ese tratamiento de la información, dada su complejidad se aborda en el siguiente tema. Si retomamos la expresión ( 48 ), la primera información disponible en esa matriz es: el desplazamiento espacial del par de transductores que está en función del valor de i, la duración del tiempo de vuelo por el subíndice j y la intensidad de la onda acústica por la amplitud a. La manera de representar esta información es a través de un gráfico de dos dimensiones conocido como B-Scan; donde el tiempo de vuelo está en el eje de las ordenadas y la distancia analizada en el eje de las abscisas, ver Figura 48. Los valores de tiempo para cada uno de los puntos estará dado por el producto entre la resolución temporal ( t s ) y el valor del subíndice j, teniendo como máximo, el tiempo de registro T s. t j = t s. j = f s 1. j ( 49 ) t j max = t s. N p = T s ( 50 ) De la misma manera, los valores de distancia para cada A-Scan se calcula como el producto entre el intervalo espacial ( x) y el valor del subíndice i. x i = x(i 1) ( 51 ) Figura 48.-B-Scan obtenido experimentalmente en escala de grises 51

65 Capítulo 2: Desarrollo Experimental En la figura anterior, el valor de la amplitud de todos los elementos de la matriz ( 48 ) se representan por una intensidad de tono gris, de tal manera: los valles de las ondas son codificados con un tono de menor intensidad (oscuro) y las crestas, por uno de mayor intensidad (claro) [14]. Esta representación de los B-Scans es la más utilizada por los técnicos e investigadores que emplean esta técnica. En este trabajo, además de la representación descrita anteriormente, se decidió también hacerlo por colores; los valles con el azul y las crestas con el color rojo. Sin embargo, esta segunda opción es más adecuada para la representación de niveles de potencia que contiene la señal acústica digitalizada, donde esos valores son obtenidos a partir de su correspondiente procesamiento de la señal original. Un ejemplo de estas imágenes está en el apartado correspondiente al promediado temporal y espacial. A modo de ejemplo, se expone a continuación el proceso para la obtención de un B-Scan de una inspección realizada sobre la probeta P02 de duraluminio, que tiene un agujero de 10 mm de diámetro. Ver Figura 49. Según definiciones anteriores, el eje x debería estar en la misma dirección que el desplazamiento de los transductores, sin embargo, esto no es una regla estricta a cumplir, ya que el movimiento también puede ser practicado a lo largo del eje y, tal como se observa en la siguiente figura. Figura 49.- Desplazamiento de los transductores sobre la probeta de duraluminio El resultado de este ensayo generó una matriz de 46 x valores de la señal, que significan: 46 A-Scans con una longitud de puntos digitalizados cada uno. La frecuencia de muestreo (f s ) para este caso es de 100MHz y, a partir de estos valores se construye los ejes del B-Scan de la Figura 48. Aplicando las ecuaciones ( 46 ) y ( 47 ), el contenido del eje de las ordenadas estará dado por el tiempo de registro (T s ) con una resolución de t s. T s = t s. N p = 10ns = 100μs t s = 1 f s = 1 100MHz = 10ns La distancia entre cada A-Scan ( x) para este ensayo fue de 2.5 mm, por lo tanto, el total de la distancia analizada es: 52

66 Capítulo 2: Desarrollo Experimental x = 2.5mm(46 1) = 112.5mm En el cálculo anterior se resta la unidad debido a que el primer valor está registrado en la posición de origen (x i = 0mm) de la distancia a inspeccionar. Finalmente, con los datos anteriores y aplicando un zoom, se genera el B-Scan de la Figura 50, donde se identifican, tanto la onda lateral (LW) como el eco de fondo (BW). El espacio temporal entre estas dos franjas corresponde a la zona de inspección por medio de esta técnica. Las líneas de colores representan los tiempos de vuelo que son calculados a partir de las ecuaciones ( 29 ), ( 30 ), ( 31 ) y ( 32 ) respectivamente. Se puede observar, que existe una cierta paridad entre los tiempos teóricos y los datos experimentales obtenidos. tlw tut tlt tbw Figura 50.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente en escala de grises Las restricciones de estas mediciones manuales, está en que la resolución ( x) de la distancia analizada es de 2.5mm, 2.5 veces mayor de lo que recomienda la norma 9 para la generación de los diferentes A-Scans [11]. Una de las soluciones a este problema, es contar con un equipo automático que permita adquirir a una mayor velocidad cada uno de los A-Scans, logrando tener registros cada milímetro o incluso a intervalos menores. Para lograr esto, el equipo debe incorporar un encoder que controle la toma de medidas en base al desplazamiento, aumentando la eficiencia y eficacia en comparación con el procedimiento manual. En todas las mediciones de este trabajo se lo ha hecho de forma manual, por no disponer aún del sistema automático que está en fase de desarrollo. 9 La norma UNE EN recomienda que el paso entre cada A-Scan sea de 1mm. 53

67 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 2.7 Procesamiento de imágenes B-Scan El B-Scan de la Figura 50, no corresponde a la representación inmediata de la información almacenada; para llegar a este resultado, fue necesario realizar un procesamiento previo. En este apartado, se describirán los principales tratamientos efectuados sobre las señales almacenadas, abordando de una forma general y sin dar un análisis exhaustivo de los mismos, ya que eso correspondería a otro trabajo más especializado. Para explicar la necesidad de recurrir al procesamiento de la información para obtener la representación definitiva, se grafica a continuación el B-Scan de la Figura 50 sin ningún tipo de procesamiento previo. Los datos son representados tal como son adquiridos (Figura 51), eso sí, con los valores correspondientes de los ejes de tiempo y desplazamiento, de acuerdo lo explicado en el apartado anterior. Figura 51.- Gráfica B-Scan obtenida experimentalmente sin procesamiento Al comparar las dos gráficas, tanto la Figura 50 como de la Figura 51, se puede notar la diferencia sustancial entre estas dos presentaciones. En el segundo caso, al representar los datos sin un procesamiento adecuado, no se consigue resaltar la información sobre el estado y características de la probeta bajo ensayo e incluso no se logra distinguir formalmente la onda superficial. Existen un sinnúmero de algoritmos desarrollados para el tratamiento de estas imágenes que están documentadas en varias publicaciones bibliográficas [10] [15] [16], que como fin principal, tratan de mejorar la nitidez de las ondas y poder distinguir sus diferentes tiempos de vuelo, para de esta manera, poder calcular las dimensiones de las discontinuidades que pueda tener la pieza inspeccionada. 54

68 Capítulo 2: Desarrollo Experimental En este trabajo se ha decidido tomar los procesamientos que a criterio propio son los más elementales y que contribuyen a mejorar significativamente la información presentada en las distintas B-Scans Eliminación de Promedio Estadístico de la Señal. Se considera que este tipo de señales temporales registradas en cada A-Scan son estacionarias, por lo tanto, las distribuciones de probabilidad de sus componentes no varían con el tiempo [17]. Partiendo de la premisa anterior, será necesario una etapa de preprocesamiento de la señal, con el objetivo de eliminar cualquier tendencia estadística que pudiera presentar el A-Scan y así asegurar la linealidad del sistema [16]. En la Figura 52, se expone el ejemplo de un A-Scans, al que se eliminó el promedio estadístico, que consiste en restar a la amplitud de cada punto digitalizado, la correspondiente media aritmética de todos ellos. Se puede evidenciar en esta figura, que no existe un cambio visual sustancial entre las dos señales temporales: original y procesada; comprobándose de esta manera que las señales medidas experimentalmente mantienen una cierta linealidad y que el sistema utilizado para la adquisición de datos no ha introducido ruido de cuantificación que originen tendencias estadísticas [16]. Este filtrado, sin bien no introdujo cambios que mejoren la presentación de las ondas difractadas en este A-Scan, es importante realizarlo en todos, para estar seguros de que la señal no presenta indicios de una tendencia estadística que pudiera haber sido introducida por los equipos y/o procedimientos empleados en los diferentes ensayos. tlw tut tbw tlw tut tbw Figura 52.- Eliminación del promedio estadístico de un A-Scan. Además, para aplicar los siguientes procesamientos, es obligatorio eliminar esa tendencia estadística por pequeña que sea, ya que si no se efectúa esto, las pequeñas desviaciones pueden llegar a ser mayores con los coeficientes de amplificación utilizados, distorsionando la señal y por ende, la información que pueda ser obtenida de las mimas. 55

69 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Control Automático de Ganancia (CAG) Éste es un procesamiento que tiene como fin amplificar las señales atenuadas que no se distinguen fácilmente. En la señal temporal original de la Figura 53, se nota la diferencia entre las amplitudes de la onda superficial (LW) y del eco de fondo (BW), caracterizándose la primera por tener una amplitud más baja que el resto de las ondas. Para mejorar la visualización de esta sección temporal atenuada se aplica unos coeficientes correctores que de manera proporcional y controlada vayan amplificando el contenido de la señal temporal de interés. Para el ejemplo citado, los coeficientes son generados para que abarquen únicamente el espacio temporal comprendido entre el tiempo de llegada de la onda superficial y el eco de fondo, con un rango de tolerancia fuera de estos límites. En la segunda gráfica de la Figura 53 están representados los coeficientes para este ejemplo; esta función tiene la forma de una rampa decreciente con valores que van desde 20 hasta 1. La selección de la magnitud y el sentido de los coeficientes fueron en función de la necesidad de amplificar únicamente la onda superficial que presentaba una menor magnitud que el eco de fondo. El producto de la señal original y los coeficientes del CAG generan la tercera gráfica de la misma figura. Esta representación, tiene mejores características y permite identificar las ondas acústicas que en un principio no estuvieron bien detalladas. Figura 53.- Aplicación del CAG (Control Automático de Ganancia) de un A-Scan. Si representamos todas las señales A-Scan con este nuevo procesamiento, obtendremos el B-Scan de la siguiente figura. En esta vez, fácilmente la onda superficial puede ser identificada, además de que se ha mejorado la nitidez de la onda difractada por el fallo que tiene esta probeta en particular. 56

70 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Figura 54.- Procesado del B-Scan con el CAG. Para otras configuraciones de inspección, el comportamiento de las ondas puede variar, por ejemplo: podría estar atenuado el eco de fondo y no la onda superficial; en la zona de inspección, las ondas difractadas podrían tener una muy baja amplitud respecto al resto de la señal; para estos y otros casos, la función CAG debe ser diseñada de forma diferente. En la siguiente figura están representados ejemplos de funciones CAG que pueden ser utilizados. Figura 55.- Ejemplos de funciones CAG. 57

71 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Filtros Pasa-Banda Selección de las Frecuencias de Corte Como se comentó en el apartado relacionado con la adquisición y digitalización de las señales acústicas, el equipo ultrasónico MATEC PR5000 permite utilizar filtros de corte analógico que dejan pasar un ancho de banda entre los límites seleccionados. El propósito de estos filtros está en eliminar todo el contenido espectral fuera de esa banda; pero su parametrización, está condicionada a los límites preestablecidos que tiene el equipo por defecto; por lo tanto, en algunos casos, esto no es suficiente y es necesario recurrir a un filtrado posterior de tipo digital sobre los datos almacenados. Para tomar la decisión o no de un filtrado posterior, se debe hacer un análisis del factor de calidad Q del filtro analógico ya aplicado. Ésta es una forma de medir lo cuán selectivo es el filtro y es calculado a través de la siguiente expresión: Q = f c BW = f c ( 52 ) f 2 f 1 Donde f c corresponde a la frecuencia central de excitación del transductor y BW el ancho de banda, que es la diferencia entre las frecuencias f 2 y f 1 de corte utilizadas. Estos parámetros están representados en la siguiente gráfica. Figura 56.- Parámetros principales de un filtro pasa-banda. En la técnica TOFD, es recomendable trabajar con factores de selectividad muy bajos (Q 1), con el fin de no distorsionar las señales y evitar pérdidas de resolución temporal [10], ya que el método de estimación del tamaño y localización de los fallos, están basados en los tiempos de vuelo de las ondas difractadas. Ahora, si el valor de selectividad es menor a la unidad (Q < 1), se puede aún recurrir al filtrado digital, caso contrario, no es recomendable según la referencia citada. Si finalmente se adopta realizar un filtrado digital adicional, las frecuencias de corte deben ser seleccionadas procurando no superar el valor de 1 en el factor de calidad Q. Para el ensayo que se aborda como ejemplo, se utilizó un transductor con una frecuencia central (f c ) de 2 MHz, por lo tanto, en el equipo ultrasónico se fijó los límites 58

72 Capítulo 2: Desarrollo Experimental de los filtros en: paso bajo (LPF) igual a 5MHz y filtro paso alto (HPF) a 1MHz. Estos límites disponibles, son los que más se ajustaron a los requerimientos. El factor de calidad para este ejemplo es: Q = f c B = f c LPF HPF = = 0.5 En este caso, al tener un factor Q (0.5 < 1) menor al máximo sugerido por la referencia, permite hacer un filtrado digital pasa-banda adicional con un contenido espectral más estrecho. Si se analiza la ecuación ( 52 ) y con el objetivo de tener un factor de calidad igual a 1, los límites del filtro pueden ser expresados en función de la frecuencia central del transductor como: Diseño de Filtros f 1 = 0.5 f c y f 2 = 1.5 f c ( 53 ) El diseño del filtro a utilizar depende de algunos factores y requisitos prestablecidos por las propias circunstancias y formas de abordar esta técnica de inspección. Uno de estos requisitos es: que la señal de salida, tenga la menor distorsión en cuanto a su fase, discriminado únicamente contenidos frecuenciales no deseados, pero manteniendo la información temporal de las diferentes ondas acústicas digitalizadas, que son el objeto en sí, de análisis en esta técnica. Para ello se ha decidido emplear un filtro digital de respuesta impulsional finita FIR 10, que es posible diseñarlo para que presente una respuesta de fase estrictamente lineal (distorsión de fase nula) y que dependa únicamente de las entradas actuales y anteriores, sin retroalimentaciones y evitar inestabilidades [18]. Quizá una de las desventajas de este tipo de filtro es que para obtener pendientes de corte más pronunciadas, requieren de un elevado número de términos y/o coeficientes en sus ecuaciones, que implica una mayor demanda en requerimientos de memoria y cálculo computacional, por lo que los tiempos de procesamiento son mayores. Sin embargo, esto no constituye un impedimento en este trabajo, ya que la velocidad con que opere el filtro carece de importancia para nuestros objetivos. Otra desventaja de este filtro es que introduce un retardo temporal (t d ) a la señal de salida, el mismo que obligatoriamente debe ser calculado para compensarlo, a fin de que los tiempos de vuelos teóricos tengan una paridad con los datos experimentales. Más adelante se explica cómo debe puede ser calculado este valor. Los datos digitalizados de cada A-Scan con los procesamientos anteriores ya aplicados: el CAG y la eliminación de promedio estadístico, corresponden a la señal de entrada x[n] que necesitamos procesar para obtener una señal de salida y[n]. Donde el 10 FIR: Finite Impulse Response 59

73 Capítulo 2: Desarrollo Experimental espectro de esta última Y(ω), se obtiene multiplicando el espectro de entrada X(ω) por la respuesta en frecuencia del filtro H(ω) considerado: Y(ω) = X(ω). H(ω) ( 54 ) Esta ecuación equivaldría a la operación de convolución entre las dos señales digitales correspondientes en el dominio de tiempo. y[n] = x[n] h[n] ( 55 ) En el caso de un filtro FIR, una muestra de salida se define como la combinación lineal de muestras de la entrada actual x[n] y las pasadas x[n k], así para un filtro de longitud N, se tendría [18]: y[n] = b 0 x[n] + b 1 x[n 1] + + b N 1 x[n N + 1] = b k x[n k] N 1 k=0 ( 56 ) Los valores de b k corresponden a los coeficientes del filtro, es decir, a la respuesta impulsional h[n] de la ecuación ( 55 ), por lo tanto, el diseño del filtro tendrá como objetivo el calcular estos coeficientes, aplicar dicha ecuación y conseguir el filtrado de la señal de entrada. En este trabajo, para el cálculo de los coeficientes b k, se ha utilizado la función fir1 de Matlab descrita en la siguiente expresión. b = fir1(n,[w1 W2],'ftype') ( 57 ) Con el propósito de tener pendientes de corte muy pronunciadas, se seleccionó una longitud (N) de coeficientes. Las frecuencias normalizadas 12 de corte W1y W2 para el ejemplo son: 1 y 3 MHz respectivamente. Para este y otros casos, las frecuencias de corte fueron calculadas con la expresión ( 53 ) que depende exclusivamente de las frecuencia del transductor y de un factor de calidad Q=1. El tipo de filtro (ftype) seleccionado es pasa-banda (bandpass). Figura 57.- Coeficientes del filtro pasa-banda diseñado. N=102, f 1=1MHz, f 2=3MHz, fs=100mhz. 11 Este valor exige mayores tiempos en cálculos computacionales, pero en este trabajo no es relevante. Además, en Matlab, este valor debe ser introducido en la variable n, como N Estos valores deben ser normalizados con respecto a dos veces (2f s ) la frecuencia de muestreo a la que han sido digitalizados los datos. 60

74 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Los coeficientes calculados para estos filtros se caracterizan por ser de longitud par y respuesta impulsional simétrica alrededor del punto central, tal como se puede observar en la Figura 57. Con las características ya conocidas del filtro, se puede deducir la ecuación correspondiente a su respuesta en frecuencia H(ω), ésta es la expresión ( 58 ), que proviene de su respectiva demostración: Donde: H(ω) = A(ω) e jφ(ω) ( 58 ) N A(ω) = 2. h(k). cos (ω. [ N 1 2 k=0 Φ(ω) = ω. N 1 2 k]) + h ( N 1 2 ) ( 59 ) ( 60 ) Según la ecuación ( 60 ), la respuesta en fase de este filtro FIR presenta una linealidad en todo su contenido frecuencial, significando que los diferentes armónicos que componen la señal filtrada, tendrán el mismo retardo temporal. Este retardo puede ser calculado a través de la derivación de la misma ecuación. τ(ω) = dφ(ω) dω = N 1 2 ( 61 ) Por lo tanto, el retardo en unidades temporales (segundos) estará dado por la siguiente ecuación: t d = N 1 2f s ( 62 ) Analizando la ecuación anterior, se puede deducir que el tiempo de retraso no está condicionado ni por la amplitud de los coeficientes, ni por el contenido frecuencial de la señal filtrada. Ahora, si se mantiene el mismo número de coeficientes y la misma frecuencia de muestreo, el tiempo de retardo del grupo será igual y constante para todos los ensayos. En las gráficas de la Figura 58, están representados los módulos de la respuesta en frecuencia H(ω), respuesta en fase Φ(ω) y el retardo temporal τ(ω) para el ejemplo abordado. En la primera de ellas, se nota como el filtro está abarcando la frecuencia central de interés que en este caso del 2MHz. En la segunda gráfica permite notar que para este filtro, su respuesta de fase es estrictamente lineal, sin distorsión de la misma. Y finalmente, si se deriva la respuesta de fase que es lineal, el tiempo de retardo para todo el contenido frecuencial será constante y eso puede ser apreciado en la tercera gráfica. 61

75 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Figura 58.- Características del filtro digital FIR pasa-banda diseñado Filtrado digital de los A-Scans Luego del diseño del filtro, se procede aplicar el mismo sobre cada uno de los A- Scans que vienen a constituir las señales de entrada, para ello, se ha utilizado la función filter del programa Matlab. Y = filter(b,a,x) ( 63 ) Donde el vector X corresponde a los datos de entrada x[n] y el vector Y los de salida y[n], b son los coeficientes del filtro digital calculados anteriormente y a toma el valor de 1, característico de este filtro FIR. Figura 59.-Aplicación del filtro digital sobre un A-Scan genérico. 62

76 Capítulo 2: Desarrollo Experimental En la Figura 58 se ha representado el filtrado digital de un A-Scan genérico, donde se puede apreciar el retardo de la señal de salida. Si aplicamos la ecuación ( 62 ), podemos calcular el tiempo de retardo para este ejemplo. La longitud de los coeficientes N del filtro son 102 y la frecuencia de muestreo f s 100MHz se obtiene: t d = N 1 2f s = (100MHz) = 0.505μs Se puede constatar efectivamente, que este tiempo de retardo t d es el que aparece en la segunda gráfica y que está delimitado por las líneas de color rojo. Por lo tanto, este tiempo debe ser tomado en cuenta en el respectivo análisis de los tiempos de vuelo para poder determinar correctamente la posición y tamaño de los defectos Representación de los nuevos B-Scans. Finalmente, luego de aplicar el filtrado a todas los A-Scans, se ha representado el nuevo B-Scan de la Figura 60. Si comparamos con el de la Figura 54, podemos darnos cuenta que ha mejorado la nitidez de la representación de las ondas acústicas. Algo que fue necesario y, que ya se lo comentó anteriormente, es que en esta representación B-Scan, fue necesario desplazar el trazado de las líneas teóricas (trazos de colores), ya que la aplicación del filtro FIR ocasionaba un retraso en todo el contenido temporal de la señal. El tiempo de retardo que fue necesario agregar, es el calculado anteriormente como t d = 0.505μs. Si analizamos el resultado final, se comprueba que existe una correlación bastante exacta entre los tiempos de vuelo teóricos y los generados experimentalmente a través de estas imágenes TOFD. Figura 60.- Procesado de un B-Scan con un filtrado digital FIR (Q=1) 63

77 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Promediado Temporal Los procesados anteriores se han caracterizado por mejorar la resolución y nitidez de las ondas acústicas en las imágenes B-Scan. Ahora, si bien ya se han obtenidos resultados bastante aceptables, en cambio ciertos problemas como la aparición de alas hiperbólicas [15] alrededor de los defectos en las imágenes aún no han sido evitadas. En la Figura 60 se puede observar este fenómeno y se trata de un problema intrínseco de algunas técnicas de END donde se utiliza los ultrasónicos. Este fenómeno se da principalmente por razones constructivas del cristal piezoeléctrico. Si revisamos la Figura 14, la divergencia del haz ultrasónico generado por los cristales depende del diámetro (D) del cristal y de la frecuencia de excitación (f). Esta apertura del haz, que no es igual en todos los transductores, hace que se abarque un área de inspección mayor al deseado. Particularmente en esta técnica, cuando se utilizan transductores con una gran apertura de su haz, tanto en transmisión como en recepción, los defectos son detectados mucho antes de que estos estén en el eje imaginario de los haces cuando hacen su recorrido, por lo tanto, estas alas hiperbólicas que se generan, corresponden a señales de los mismos defectos pero que en un principio empiezan a ser detectados por los lóbulos laterales del haz ultrasónico. Éstas presentan una menor amplitud, pero sin duda, dificultan la detección de los defectos que posiblemente se hallen en ese sector y que están apantallados por esas señales no deseadas. Figura 61.- B-Scans obtenidos con distintas frecuencias: probeta (sup.), 2MHz (izq.) y 5MHz (der.) Una de las soluciones para eliminar estos fenómenos no deseados, es emplear transductores con menor apertura de su haz ultrasónico, que si analizamos la ecuación ( 64

78 Capítulo 2: Desarrollo Experimental 21 ), esto equivale a emplear cristales piezoeléctricos de mayor diámetro constructivo o mayor frecuencia de excitación. En la Figura 61, se mostraron dos B-Scans obtenidos sobre la misma probeta (imagen superior). El de la izquierda corresponde a una inspección con 2MHz y el de la derecha con 5MHz. Podemos observar que en el segundo caso, cuando se emplea un transductor de mayor frecuencia, desaparecen las alas hiperbólicas que en la primera imagen están presentes y es fácil determinar el ancho real del defecto. Sin embargo, al reducirse la apertura del haz usando este transductor, otras áreas de la probeta dejan de ser inspeccionadas, incluso el mismo borde inferior del defecto no es detectado. Existen unas técnicas de postratamiento muy eficientes que son utilizadas para eliminar esas alas hiperbólicas sin recurrir al cambio de transductores de características constructivas diferentes. Por ejemplo, está la técnica de apertura sintética, SAFT (Synthetic Aperture Focusing Techniques) [10] que reduce de manera eficiente esos fenómenos no deseados. En este trabajo no se abordó esta técnica de postratamiento de las señales, pero lo que se intentó es que mediante otros procedimientos, como el Promediado Temporal, se logre mejorar la presentación de los B-Scans. Con el Promediado Temporal, lo que se busca es conseguir resaltar los defectos en función de la potencia que contiene la señal temporal digitalizada. Esta potencia es proporcional al grado de difracción de la onda sobre el defecto. Por lo tanto, si se representa la potencia de estas señales en el B-Scan, se lograrían resaltar los defectos detectados a partir de estos valores que son calculados y promediados. Para explicar este procesamiento, se recurre a la Figura 62, donde la gráfica superior corresponde a un A-Scan digitalizado y que ahora es troceado en ventanas de tamaño N v, con N s puntos de solapamiento entre ellas. Figura 62.- Promediado temporal de potencia de la señal 65

79 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Por lo tanto, el número de ventanas (k) estará condicionado por los valores que tomen: N v y N s ; y para calcular su valor, se emplea la siguiente expresión: Scan. N p k = redondear a mayor ( ) ( 64 ) N v N s Donde N p corresponde al número de total de puntos digitalizados que tiene un A- Luego, de cada ventana [k 1 k i k] se calcula la potencia media con la expresión ( 65 ) y estos valores se representan en un nuevo A-Scan. Un ejemplo, sería el gráfico inferior de la Figura 62 que se caracteriza únicamente por tener datos positivos. k(n v N s ) P(k) = 1 N v a(n) 2 n=k(n v N s ) N v +1 ( 65 ) Todos estos cálculos fueron realizados en el entorno Matlab, para finalmente obtener el mismo número de A-Scans pero con una longitud de k valores. Estos son representados en un nuevo B-Scan de colores (Figura 63), que corresponde al ejemplo de estudio. Figura 63.- Procesado del B-Scan con promediado temporal. Para este caso se utilizó ventanas de N v= 120 puntos, con solapamientos de N s = 60, teniendo un resultado final de 46 A-Scans, cada uno con longitudes de 167 valores de amplitud de potencia. El resultado final ha sido un B-Scan, en el cual las alas hiperbólicas han desaparecido considerablemente, mejorando la resolución del ancho del defecto. 66

80 Capítulo 2: Desarrollo Experimental Promediado lateral o de desplazamiento Este procesamiento es similar al caso anterior, aunque esta vez, el promediado no se lo hace entre valores contiguos de amplitud dentro de un mismo registro, sino entre los valores correspondientes de varios A-Scans, tal como se observa en la Figura 64. Para este caso se han tomado ventanas (N v ) de 4 A-Scans, con un solapamiento (N s ) de 2. Figura 64.- Promediado lateral de potencia entre varios A-Scans El resultado de este procedimiento está presentado en la siguiente imagen, que es similar al anterior en cuanto a su elaboración, pero lo que se consigue en este tipo de procesado, es alcanzar una alineación entre las diferentes ondas, mejorando sustancialmente la resolución temporal que se ve afectada por la presencia de las alas hiperbólicas. Figura 65.- Procesado del B-Scan con promediado lateral o de desplazamiento 67

81 3 Capítulo 3: Resultados

82 Capítulo 3: Resultados 3.1 Ensayos Aplicando la Técnica TOFD El desarrollo experimental estuvo conformado por un sinnúmero de mediciones que principalmente se realizaron sobre las probetas de duraluminio y de las cuales se conocían perfectamente sus morfologías internas y características acústicas. De esta manera se lograba contrastar las dimensiones reales de los defectos de las probetas con los resultados que se iban adquiriendo en la ejecución de esta técnica. Luego, los problemas que se presentaban en las experimentaciones, eran solucionadas adecuadamente con el conocimiento contrastado de las diferentes referencias bibliográficas citadas. Así también, el resto de tareas estuvieron encaminadas a mejorar las prestaciones de los equipos, explotando al máximo sus bondades técnicas y corrigiendo los errores de cuantificación asociados a cada uno; para finalmente, obtener imágenes con un importante contenido de información sobre el estado real de las piezas inspeccionadas. En este capítulo, se detallan los resultados que se obtuvieron en la inspección de las probetas, pero ya con un dominio pleno del conocimiento de lo que implica la modificación de cada una de las variables y las configuraciones adoptadas en cada inspección realizada. Respecto a los ángulos de incidencia utilizados, estos estuvieron limitados a las características físicas de las cuñas disponibles, solo en el caso del transductor de 2 MHz, hubo la posibilidad de variar los ángulos de incidencia, posibilitando trabajar con velocidades longitudinales. No así en el resto de cuñas, que tienen un ángulo fijo, por lo tanto, la inspección se limitó al uso de las velocidades transversales, contrario a lo que recomiendan las normas (únicamente longitudinales), pero que en este trabajo se obtuvieron resultados bastante aceptables con el empleo de las mismas. El avance de cada una de las inspecciones fueron realizadas manualmente y los pasos, es decir, los incrementos de distancia a los que fueron tomados los diferentes A- Scans, fue de 2.5mm. Se escogió este intervalo, ya que proporcionaban un número conveniente de mediciones para un tiempo prudente en cada inspección. Sobre las probetas de duraluminio se realizaron desplazamientos que buscaban la posibilidad de tener la máxima área de inspección, no fue posible realizarlo sobre todo el cuerpo de la pieza, consecuentemente, cada uno de los B-Scans corresponden únicamente de las áreas sombreadas de los planos respectivos. Para el caso de la probeta de hierro, que contiene un cordón de soldadura, se empleó el transductor más adecuado para este tipo de espesores, el de 10 MHz; además, el ángulo fijo de incidencia de la cuña, obligó a trabajar con velocidades transversales. En esta probeta y sobre todo en el cordón de soldadura, además de la inspección ultrasónica, se realizó una toma radiográfica de todo el conjunto, obteniendo la imagen correspondiente que sirvió para corroborar la información mostrada en el B-Scan. El parámetro que más se modificaba, era justamente la separación (2S) entre los dos transductores, consiguiendo así focalizar la intersección de los ejes imaginarios a 69

83 Capítulo 3: Resultados diferentes profundidades de interés en la probeta. Estas intersecciones, las trayectorias y los ángulos del haz ultrasónico son representados al inicio de cada ensayo y permiten tener una idea del comportamiento de estas variables dentro del material a inspeccionar. Así mismo, los diferentes tiempos de vuelo calculados, sirvieron en el momento de la adquisición de los datos, para centrar la atención en esos espacios temporales en que deberían aparecer las diferentes ondas acústicas. Demostrando que en casi todas las medidas, dichos tiempos concuerdan con las mediciones experimentales. En todos los B-Scans en escala de grises, se han representado diferentes líneas de trazado, horizontales y verticales; donde las primeras, corresponden a los tiempos de vuelo de las profundidades de los trazos del mismo color que se ha hecho en el plano de la probeta; en cambio, la línea vertical, indica de qué sector se ha extraído el A-Scan representado posteriormente. Ahora, en algunos casos, las líneas horizontales se han hecho coincidir con los bordes del defecto, posibilitando así el análisis posterior sobre la eficiencia de las gráficas obtenidas y el procedimiento desarrollado para su adquisición. Posteriormente se representa el A-Scan seleccionado con la línea amarilla de la imagen anterior, así también, se adjuntan los B-Scans de colores que son los de promediado temporal y desplazamiento, que ayudan a caracterizar la morfología de las probetas en estudio. Se han omitido la representación de algunos ensayos en los que se emplean otros transductores y ángulos de incidencia, y solo se han representado aquellos que a criterio propio son los más relevantes. Posteriormente, y ya con el propósito de hacer una inspección sobre un elemento real que requiera de una inspección ultrasónica, se aplicó este ensayo a la probeta de hierro. A la cual se le hizo tres recorridos: uno sobre el área sin defecto, otro con el recorrido sobre la vista superior a lo largo del cordón de soldadura y, finalmente, un barrido desde la cara posterior del cordón de soldadura. Esto se justifica, debido a que no se contaba con ángulos variables de incidencia en las cuñas y que en este caso, con el disponible, la focalización se hacía cercana al borde posterior, dejando un área importante de la probeta sin inspeccionar; por ende, fue necesario realizar la inspección desde las dos caras de la probeta. Además de las diferentes ilustraciones, se dan algunas observaciones que son consideradas importantes y necesarias para el análisis de los resultados obtenidos 70

84 Capítulo 3: Resultados Inspección 1: Probeta 02 con 2 MHz Z [mm] Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P02 Duraluminio Longitudinal Ilustración 1.-Parámetros de ensayo para probeta P02 con 2MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Ilustración 2.- Área inspeccionada de la probeta P02 con 2MHz. Ilustración 3.- B-Scan en escala de grises de la probeta P02 con 2MHz. Ilustración 4.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo. 71

85 Capítulo 3: Resultados Ilustración 5.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P02 con 2MHz. Observaciones Ilustración 6.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P02 con 2MHz. Se utilizó la velocidad longitudinal y los resultados son muy aceptables. La profundidad y los bordes del agujero son observados correctamente y coincide con los tiempos de vuelo teóricos (línea: magenta, cian). Se detectan las dos ondas, superficial y eco de fondo y coinciden con los tiempos de vuelo respectivos (línea: verde, roja). Se presencian alas hiperbólicas (primer B-Scan) impiden determinar el acho del agujero. En otros B-Scans se mejora la identificación del ancho real del mismo. La continuidad del eco de fondo en todo el recorrido, permite deducir que el defecto es interno y no sobresale a la superficie. 72

86 Capítulo 3: Resultados Inspección 2: Probeta 02 con 5 MHz Z [mm] Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Material Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P02 Duralumnio Transversal Ilustración 7.-Configuración de ensayo para probeta P02 con 5MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Ilustración 8.- Área inspeccionada de la probeta P02 con 5MHz Ilustración 9.- B-Scan en escala de grises de la probeta P02 con 5MHz. Ilustración 10.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo. 73

87 Capítulo 3: Resultados Ilustración 11.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P02 con 5MHz. Ilustración 12.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P02 con 5MHz. Observaciones Se utilizó la velocidad transversal y los resultados son aceptables. La profundidad y el borde superior del agujero son observados correctamente y coincide con tiempo de vuelo teórico (línea: magenta). No se observa borde inferior del agujero (línea: cian). No se detecta la onda superficial (línea: verde). Se detecta eco de fondo y coincide con tiempo de vuelo teórico (línea: roja). No existe la presencia de alas hiperbólicas y el ancho de agujero es más real. Discontinuidades del eco de fondo, simétricas a la posición del defecto, sirven para deducir que se trata de un agujero. 74

88 Z [mm] Capítulo 3: Resultados Inspección 3: Probeta 03 con 2MHz Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P03 Duraluminio Longitudinal Ilustración 13.-Configuración de ensayo para probeta P03 con 2MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Ilustración 14.- Área inspeccionada de la probeta P03 con 2MHz Ilustración 15.- B-Scan en escala de grises de la probeta P03 con 2MHz. Ilustración 16.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo. 75

89 Capítulo 3: Resultados Ilustración 17.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P03 con 2MHz. Ilustración 18.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P03 con 2MHz. Observaciones Se utilizó la velocidad longitudinal y los resultados son muy aceptables. Se detectan, la onda superficial y el eco de fondo, además que coinciden con los tiempos de vuelo teóricos (línea: verde, roja). El agujero superior izquierdo, no es detectado correctamente, éste se halla en la zona muerta superior, pero si se deduce su presencia. (línea: magenta) La profundidad del agujero derecho (Ilustración 15) es correctamente identificada (línea: cian), pero por la presencia de las alas hiperbólicas es complejo determinar sus dimensiones. La no continuidad del eco de fondo, permite deducir que existe un defecto que obstaculiza la propagación de las ondas. 76

90 Z [mm] Capítulo 3: Resultados Inspección 4: Probeta 04 con 2MHz Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P04 Duraluminio Longitudinal Ilustración 19.-Configuración de ensayo para probeta P04 con 2MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Ilustración 20.- Área inspeccionada de la probeta P04 con 2MHz Ilustración 21.- B-Scan en escala de grises de la probeta P04 con 2MHz. Ilustración 22.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo. 77

91 Capítulo 3: Resultados Ilustración 23.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P04 con 2MHz. Ilustración 24.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P04 con 2MHz. Observaciones Se utilizó la velocidad longitudinal y los resultados son muy aceptables. Se detectan la onda superficial y el eco de fondo, éstos coinciden con los tiempos de vuelo teóricos (línea: verde, roja). La profundidad del borde superior del corte se corresponde con el tiempo de vuelo teórico (línea: cian). Presencia de alas hiperbólicas impiden determinar la dimensión del corte. La discontinuidad en el eco de fondo y en dirección del defecto detectado, es lo que permite deducir que se trata de un corte que aflora a la superficie posterior; contrario a los casos anteriores, donde los defectos eran agujeros y el eco de fondo mantenía continuidad en la dirección de los mismos. 78

92 Capítulo 3: Resultados Inspección 5: Probeta 06 con 2MHz Z [mm] Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P06 Duraluminio Longitudinal Ilustración 25.-Configuración de ensayo para probeta P06 con 2MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Ilustración 26.- Área inspeccionada de la probeta P06 con 2MHz Ilustración 27.- B-Scan en escala de grises de la probeta P06 con 2MHz. Ilustración 28.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo. 79

93 Capítulo 3: Resultados Ilustración 29.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P06 con 2MHz. Ilustración 30.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P06 con 2MHz. Observaciones Se utilizó la velocidad longitudinal y los resultados son muy aceptables. Se detectan la onda superficial y el eco de fondo, coinciden con los tiempos de vuelo teóricos (línea: verde, roja). La profundidad del borde superior del corte se corresponde con el tiempo de vuelo teórico (línea: cian). Presencia de alas hiperbólicas impiden determinar la dimensión del corte. La discontinuidad en el eco de fondo y en dirección del defecto detectado, es lo que permite deducir que se trata de un corte que aflora a la superficie posterior En dos sectores se nota que se ha perdido el acoplamiento adecuado entre el transductor y la probeta, sin que eso signifique que se tratan de defectos. 80

94 Capítulo 3: Resultados Inspección 6: Probeta 06 con 5MHz Z [mm] Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P06 Duraluminio Transversal Ilustración 31.-Configuración de ensayo para probeta P06 con 5MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Ilustración 32.- Área inspeccionada de la probeta P06 con 5MHz Ilustración 33.- B-Scan en escala de grises de la probeta P06 con 5MHz. Ilustración 34.- A-Scan correspondiente al cursor amarillo. 81

95 Capítulo 3: Resultados Ilustración 35.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P06 con 5MHz. Ilustración 36.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P06 con 5MHz. Observaciones Se utilizó la velocidad transversal y los resultados son aceptables. No se detecta la onda superficial (línea: verde). El eco de fondo, coinciden con el tiempo de vuelo teórico (línea: roja). La profundidad del borde superior del corte no se corresponde exactamente con el tiempo de vuelo teórico en el B-Scan (línea: cian), sin embargo, si se analiza el A- Scan se deduciría que con una cierta tolerancia, los tiempos de vuelos si coinciden. No existe presencia de alas hiperbólicas y el ancho de corte es visualizado de manera más reducida. La discontinuidad en el eco de fondo y en dirección del defecto detectado, es lo que permite deducir que se trata de un corte que aflora a la superficie posterior. 82

96 P05 Capítulo 3: Resultados Inspección 7: Probeta 05 (Soldadura) con 10MHz Z [mm] Y [mm] PARÁMETROS PRINCIPALES DE LA TÉCNICA TOFD Tipo f C1 C2 e αi αt H 2S tr td tlw tlw+tr tbw tbw+tr tr+tr Probeta Material onda [Mhz] [m/s] [m/s] [mm] [ ] [ ] [mm] [mm] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] [µs] P05 Hierro Transversal Ilustración 37.-Configuración de ensayo para probeta P05 con 10MHz. Cara anterior probeta Cara posterior probeta Zona muerta superior Zona muerta inferior Resolución espacial Resolución espacial Profundidad de resolución R Separación de transductores Trayectoria eco de fondo Eje de haz Tx Eje de haz Rx Borde superior haz Tx Borde superior haz Rx Borde inferior haz Tx Borde inferior haz Rx Posicion de Tx Posicion de Rx Altura origen de haz Figura 66.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. Sin defecto. En este B-Scan, es el eco de fondo que sobresale nítidamente antes que la onda superficial, debido a que la focalización del haz (Ilustración 37) abarca solo este sector. En algunos tramos existen unas distorsiones, pero no corresponden a fallos, al parecer son resultado de una perdida de acoplamiento entre los transductores y la probeta. Figura 67.- Radiografía probeta P05. 98kV, 20mA, 5s, 100cm. Vista superior. 83

97 P05 Capítulo 3: Resultados Tx Eje de inspección Rx Recorrido Figura 68.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista superior. b c a d Figura 69.- B-Scan en escala de grises de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista superior. Figura 70.- B-Scan en promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista superior. Figura 71.- B-Scan en promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista superior. 84

98 Capítulo 3: Resultados Observaciones La imagen de la radiografía, ver Figura 67, muestra que la soldadura no está realizada correctamente, ya que no se ha conseguido la unión completa de las dos placas de hierro (Figura 72). Por tal motivo, lo que se busca aplicando esta técnica es determinar el estado real de la soldadura, es decir, el espesor de la unión o la profundidad de la grieta a lo largo de todo el cordón. Se pretende dimensionar esas magnitudes con el análisis de los B-Scan respectivos. En la siguiente figura se puede corroborar que no ha existido la total penetración del material de aportación para formar el cordón de soldadura en todo el espesor, evidenciándose así, una abertura a lo a lo largo de la unión de las dos placas de hierro. Grieta Espesor de soldadura Figura 72.- Parte del cordón de soldadura vista del borde inferior. Analizando el B-Scan (Figura 66) de la inspección sin soldadura, se deduce que con esta configuración (ver Ilustración 37) solo se focaliza un sector del total de la sección de interés, únicamente la parte inferior de la probeta; en tales circunstancias, es necesario hacer la inspección desde la otra cara de la pieza para tener un barrido completo de toda la sección. Por ahora se analiza el recorrido desde la superficie superior y desde la inferior será analizada más adelante. En la Figura 69, correspondiente al B-Scan de la inspección superior, se han trazado: una línea verde para la onda superficial; otra de color cian, que representa la mitad de la sección (5mm) de la probeta y finalmente una línea roja, donde en donde debería estar el eco de fondo. En esta figura no se aprecia el eco de fondo [d] y contrastando con la Figura 72, se puede asegurar que la grieta (sección no soldada) está presente en todo el cordón de soldadura. En el intervalo [a] de 15 a 18 cm, existe una onda muy nítida que mostraría el borde inferior hasta donde ha penetrado la soldadura. En los otros intervalos no se puede evidenciar con tanta nitidez dichas ondas, por lo que es necesario recurrir al análisis del siguiente B-Scan (Figura 70). En esta imagen se puede evidenciar los puntos de mayor potencia de la señal acústica, y al trazar una línea entrecortada por los mismos, se puede obtener el perfil del cordón de soldadura existente. 85

99 F Capítulo 3: Resultados A continuación se realiza la inspección desde la vista inferior. Tx Eje de inspección Rx Recorrido Figura 73.- Soldadura de la probeta P05. Recorrido de inspección vista inferior b c a d Figura 74.- B-Scan escala de grises de la probeta P05 con 10 MHz. Inspección vista inferior. Figura 75.- B-Scan promedio temporal de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista inferior. Figura 76.- B-Scan promedio lateral de la probeta P05 con 10MHz. Inspección vista inferior. 86