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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 1
ULTRASONIDO
Ricardo Salazar
Nivel II
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 2
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 3
1. TABLA DE VELOCIDADES
MATERIAL CORTE m/s COMP. m/s
Aluminio 3130 6320
Plomo 700 2160
Glicerina 1920
Hierro fundido 2200 3500
Magnesio 3050 5770
Bronce 2120 4430
Nickel 2960 5630
Plexigidas 1430 2730
Polietileno 925 2340
Acero 3250 5920
Agua 1480
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 4
SONIDO
Para que se genere sonido se necesita que haya primero que todo un medio
elástico y segundo una perturbación de ese medio.
La perturbación del medio genera ondas que se encargan de transportar la
energía de dicha perturbación hacia otros puntos del medio elástico
.
A nivel micro estructural la perturbación del material se manifiesta en las
vibraciones de los átomos y moléculas que componen dicho material. Comoproducto de las vibraciones los átomos y moléculas se desplazan con respecto
a su punto de equilibrio básicamente de dos formas:
1- En el mismo sentido del desplazamiento de la onda. (Ondas longitudinales).
2- En sentido perpendicular al desplazamiento de la onda (Ondas
transversales).
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 5
ULTRASONIDO
El Ultrasonido son todos aquellos sonidos cuyas vibraciones superan los 20000
Hz.
El rango audible de una persona normal esta entre 20 Hz y 20 KHz.
El Espectro completo del Ultrasonido se puede dividir en 3 partes:
1- Rango de bajas frecuencias: de 20KHz hasta 150 KHz.
2- Rango de frecuencias intermedias: de 1MHz hasta 5 MHz.
3- Rango de frecuencias altas: de 10 MHz hasta 20 MHz
APLICACIONES
El Ultrasonido tiene un campo bastante grande de aplicaciones. Para nombrar
solo algunas:
1- Medicina. En el diagnostico de pacientes.
2- Soldadura de componentes.
3- Limpieza.
4- Sistemas de seguridad.
5- Mediciones de distancia.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 6
6- Mediciones de caudal
7- Mediciones de velocidad
8- Inspección No-Destructiva.
Algunas aplicaciones dentro del campo de inspección son:
1- Detección de defectos en metales.
2- Medición de espesores.
3- Inspección de uniones soldadas en metales.
4- Inspección de uniones en materiales plásticos.
5- Inspección de concreto.6- Inspección de la madera.
7- Monitoreo por condición.
BREVE HISTORIA DE LA EVOLUCION DEL ULTRASONIDO
El estudio de la Acústica tiene probablemente su origen en la antigua Grecia
hacia el siglo 6 antes de Cristo con el filosofo Pitágoras, cuyos experimentos
sobre las cuerdas que vibran eran muy populares.
Galileo Galilei, (1564-1642) es quien comenzó los estudios más profundos
sobre la acústica con el estudio de las vibraciones y su relación con el paso y la
frecuencia de la fuente de sonido.
En 1822, el físico suizo Daniel Colladen empleó una campana submarina para
determinar la velocidad de propagación del sonido en las aguas del lago de
Ginebra.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 7
Después del hundimiento del Titanic en 1912, se desarrollaron varios
dispositivos para la detección de icebergs y luego para detectar submarinos
enemigos durante la primera guerra mundial.
En 1928, Serguei Sokolov, físico de origen ruso, propuso el empleo del
ultrasonido para la detección de defectos en metales. Debido a la precariedad
de la electrónica en ese entonces, los dispositivos desarrollados por él carecían
de precisión.
Solo hasta 1940, se desarrollan los primeros equipos con tecnología confiable
para defectología en cabeza de 3 personas Floyd Firestone, Donald Sproule y
Adolf Trost que al comienzo trabajaron por separado sin conocer cada uno la
existencia del otro.
Posteriormente en Alemania, los hermanos Krautkramer y Karl Deutsch
desarrollan equipos similares en firmas creadas por ellos que aún hoy en día
existen.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 8
VENTAJAS
1- Es la única técnica capaz de lograr una alta penetración en los
materiales, hasta del orden de metros.
2- Mide con precisión el tamaño y ubicación de los defectos.
3- Se puede emplear prácticamente en todos los materiales.
4- El equipo es bastante portátil y liviano.
5- No produce radiación ni daño alguno a las personas que operan el
equipo.
DESVENTAJAS
1- La interpretación es compleja.
2- Algunos equipos sofisticados tienen un alto costo.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 9
TEORIA
LA CADENA DE DETECCION
La cadena de detección para el ensayo ultrasónico impulso-eco puede ser
simplemente descrita como sigue:
Un pulso ultrasónico va a recorrer una línea recta a velocidad constante hasta
que se encuentre la interfase de un medio extraño. El sonido al chocar con un
medio extraño se va a reflejar de vuelta a su fuente de origen para su detección
y análisis.
Las frases claves son:
- Recorrido en línea recta a velocidad constante
- Interfase de un medio extraño
- Reflexión del fondo a la fuente de origen
- Detección y análisis
Cada frase juega un papel importante en la cadena de detección como sigue:
- Recorrido en línea recta a velocidad constante
Nos permite localizar la falla conociendo:
- El ángulo de propagación y
- Que el sonido se propaga en línea recta.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 10
La dirección del haz sónico puede ser determinada así:
ANGULO
θ
Conociendo el tiempo de llegada del impulso y que la velocidad de propagación
del sonido es constante, se puede calcular la distancia recorrida por el sonido
hasta la discontinuidad, empleando la relación matemática
Distancia = velocidad x tiempo
DISTANCIA
d LOCALIZACION
O medido electrónicamente usando el tiempo base de un equipo de
ultrasonido para defectología.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 11
BASE TIEMPO
- Interfase de un medio extraño
Se refiere al límite entre un medio homogéneo (Por ejemplo, el acero) y una
discontinuidad como una inclusión de escoria o porosidad.
La condición para que se presente la reflexión de sonido es que la
impedancia acústica del medio inspeccionado y la discontinuidad deben ser
diferentes.
Z1
Z1 y Z2 muy diferente
Z2
Z = símbolo para la Impedancia Acústica.
Si la falla fuese una inclusión de un material similar acústicamente al medio
de ensayo, el sonido pasaría a través de la falla sin que la reflexión tenga
lugar.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 12
Z2 Z1 = Z2
Afortunadamente los defectos en las estructuras metálicas son casi siempre
diferentes acústicamente al medio de ensayo
- Reflexión del fondo a su fuente de origen
Lo ideal es que la dirección del haz ultrasónico sea perpendicular a la
discontinuidad, pero esto no siempre es posible.
0 °
Para los defectos como porosidades e inclusiones de escoria irregulares, hay
que buscar la manera de que el haz ultrasónico choque en forma perpendicularcon estos, mediante la inclinación, giro y técnicas apropiadas de barrido con el
palpador.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 13
Si hay una discontinuidad relativamente plana y el sonido no incide en forma
perpendicular a ésta, al final será desviado y este defecto no será detectado.
X º
- Detección y análisis
El fenómeno Piezoeléctrico convierte el haz ultrasónico reflejado en un pulso
eléctrico que se puede observar en una pantalla de tubo de rayos catódicos.
Las características del pulso en la pantalla son:
- Amplitud
- Forma del pulso.
- Dinámica del pulso con el movimiento del palpador.
Esta información le permite al técnico:
- a) Localizar la falla con gran exactitud
- b) Determinar las dimensiones de la falla
- c) Determinar el tipo de falla
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 14
RELACION DE LA FRECUENCIA Y LA LONGITUD DE ONDA
Nuestra cadena de detección comienza con la producción de un pulso sónico.
El Transductor va a oscilar por un corto período de tiempo, lo suficiente para
mandar 4 o 5 ondas mecánicas en serie conocidas como pulso.
Este pulso tiene - VELOCIDAD (V)
- FRECUENCIA (f)
- LONGITUD DE ONDA (λ)
Estos tres factores están matemáticamente relacionados como sigue:
f
V =λ
El parámetro a controlar es la frecuencia. Una vez que determinamos la
frecuencia se selecciona el transductor apropiado y conociendo que la
velocidad de propagación del sonido en un medio homogéneo es constante, la
longitud de onda tendrá un valor.
f
1λα
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 15
DETECTABILIDAD
Por Detectabilidad se entiende la capacidad del haz ultrasónico de resolver una
discontinuidad de un determinado tamaño.
Este parámetro esta relacionado con la longitud de onda de tal manera que:
t ≤2
λ
Siendo t el tamaño del defecto.
A su vez la longitud de onda esta relacionada con la frecuencia así:
f
V
f V
=
=
λ
λ .
Para elegir la frecuencia a emplear se requiere también tener en cuenta las
propiedades micro-estructurales del material a inspeccionar, ya que estas
pueden causar mayor o menor atenuación del haz ultrasónico.
Algunas aplicaciones típicas de baja frecuencia (longitud de onda grande)
son:
- lingotes
- barras
- estructuras soldadas pesadas
Algunas aplicaciones típicas de alta frecuencia (longitud de onda corta) son:
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 16
- pruebas de grosor en secciones finas
- componentes aeronáuticos
- estructuras livianas soldadas
TIPOS DE ONDAS Y SU PROPAGACIÓN
Ondas Longitudinales
Estas ondas son las más comunes y se producen por las deformaciones
infinitamente pequeñas del material a compresión y tracción. Cada vez que se
deforma el material se genera un tren de ondas cuya propagación va dirigida
en el mismo sentido de las vibraciones.
Propagación A = compresión-alta energía
De la onda B = compresión-baja energía
De compresión
A
Onda sinusoidal aumento de presión
B de sonido
El punto de baja presión en la onda se llama “rarefacción” y el punto alto de
presión “compresión”. Una onda es una transferencia de energía a través de un
medio por oscilaciones sucesivas de las partículas que componen el medio.
Esta transferencia de energía tiene dirección y velocidad. La velocidad puede
calcularse usando la formula simplificada
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 17
ρ
E V =
Donde E = Modulo de Elasticidad constante
ρ = Densidad (ro)
Movimiento de la partícula
Dirección de propagación
Una onda ultrasónica se sostiene y se propaga a través de un material por
partículas, que oscilan alrededor de su punto de equilibrio, para simplificar esta
afirmación, vamos a considerar la figura siguiente
A B
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 19
Estas no se pueden propagar por los gases y líquidos, ya que
rápidamente desaparecen
Ondas de superficie ( Rayleigh)
Las ondas Rayleigh viajan a través de la superficie de materiales relativamente
gruesos, penetrando hasta una longitud de onda. El movimiento de la partícula
tiene una orbita elíptica. Las ondas de Rayleigh son útiles en la detección de
defectos superficiales.
Las ondas de superficie se producen de la misma manera que las ondas
transversales. Tienen una velocidad aproximada de 0.9 Vt .
Ondas Lamb ( De platina)
Las ondas Lamb se pueden propagar solamente en materiales muy delgados.
Las ondas Lamb son ondas que vibran en forma compleja y viajan a través del
espesor completo del material. Ellas dependen de la densidad, elasticidad y las
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 20
propiedades del material. Son bastante influenciadas por la frecuencia y el
espesor del material.
Con las ondas Lamb se producen básicamente dos modos de vibración de las
partículas:
Simétrico y antisimétrico.
Figura A
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 21
Figura B.
EQUIPOS
Equipos para la detección de discontinuidades:
El instrumento básico proporciona las siguientes funciones:
- Presentación “A”
- Control normal y fino de las funciones de barrido y retardo en la base tiempo
o distancia recorrida por el sonido en la parte horizontal de la pantalla.
- Selección de la frecuencia.
- Control normal y fino de la ganancia del amplificador en dB
- Amortiguamiento del pulso recibido (amortiguación electrónica)- Filtros para reducir el ruido (pasto).
- Provisión de clavijas transmisión / receptor y transmisión
- Controles de luminosidad de la pantalla y foco de señales
El siguiente diagrama muestra los módulos que componen un equipo de
Ultrasonido
PANTALLA
RECTIFICACIÓNREFINAMIENTOAMORTIGUACION
AMPLIFICADOR
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 22
INTERRUPTOR
DESCRIPCIÓN DE LAS FUNCIONES BÁSICAS:
PANTALLA
Barrido tipo A”:
La operación principal de la pantalla es la manipulación del punto flotante de
electrones chocando en la pantalla luminiscente, por placas deflectoras X e Y.
Aplicando un voltaje a través de estas placas se mueve el punto en la dirección
TRANSDUCTOR
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 23
X o Y. La trayectoria descrita por el punto es mantenida durante cierto tiempo
en la pantalla dando la sensación de una señal que varia en amplitud (Eje Y) y
separación (Eje X).
Reloj:
Este circuito es el corazón del sistema y su función es coordinar el barrido de
la base tiempo con la transmisión de pulso y repetir la operación a tiempos
exactos que se conocen con el nombre de frecuencia de repetición de pulso
(FPP).
Barrido y retardo:
Este circuito controla la línea base de tiempo y afecta a ambos, a saber; la
posición del eco inicial y la escala tiempo/distancia en la escala horizontal.
Comienzo respuesta
del barrido de la transmisión
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 24
Generador de pulsos (Osci lador):
Este circuito envía un tren de pulsos en forma sincronizada con el reloj al
amplificador y al transductor simultáneamente con una diferencia de potencial
entre 100 V y 800 V. En este circuito se encuentra el control de frecuencia que
nos permite variar la cantidad de pulsos eléctricos que va recibir en un
determinado lapso de tiempo el transductor. Para que haya una buena
respuesta del transductor, esta frecuencia debe estar dentro del rango de
frecuencias en que responde el palpador (Ancho de banda)
Ampl if icador:
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 25
Este circuito cumple dos funciones: recepción sincronizada de frecuencia y
amplificación de la señal recibida del transductor
Rectificación, refinado y amortiguación electrónica:
Una vez que el pulso eléctrico es recibido por el amplificador se puede
incrementar su amplitud con el control de ganancia. Adicionalmente su
presentación en la pantalla puede ser una señal sin rectificar o con media onda
rectificada. Mediante el empleo de filtros se logra eliminar adecuadamente el
ruido que puede ser molesto en la pantalla.
Interruptor trasmisor/receptor (T/R):
En la operación con un palpador sencillo se conecta el circuito generador de
pulsos al amplificador y transductor simultáneamente, dando lugar a la
generación del eco inicial que nos va a servir de referencia en la pantalla para
medir el tiempo o distancia recorrido por el haz ultrasónico. Cuando se operan
palpadores duales, el generador de pulsos envía la señal solamente al
transductor que emite el sonido, mientras que el transductor restante opera
como receptor y envía su señal eléctrica al amplificador. Al final en la pantalla
del equipo no se observa ningún eco de referencia.
AMP AMP
OPERACIÓN DECRISTAL SIMPLE
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 26
Frecuencia de repetición de pulsos:
Es usualmente de 500 a 2000 pulsos por segundo.
Esta FRP nos va a permitir mantener la señal por cierto tiempo en la pantalla
para que podamos apreciar con nuestra visión lo que esta ocurriendo muy
rápidamente dentro del material.
Esto se hace por transmisión de pulsos a intervalos regulares. El calculo
siguiente muestra como cada pulso esta espaciado en distancia.
Distancia entre pulsosPRF
Velocidad =
2000
/5920 segm=
= 2.96 m
Operación concristal doble
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 27
2.96 metros
Para barras relativamente pequeñas, la frecuencia de repetición de pulsos
nunca es considerada, pero en inspecciones de grandes barras y en materiales
que tienen una baja velocidad de sonido, se debe tener en cuenta la
Frecuencia de Repetición de Pulsos.
Si se va a hacer una inspección de una barra de dos metros. El pulso tieneque recorrer la barra ida y vuelta, es decir una distancia de 4 metros. Al PRF
usado en el cálculo habría un encuentro de dos pulsos saliente y entrante a
medio metro del final de la barra.
Transmisión del Punto de encuentro
segundo punto
Vuelta del primer pulso
(1st. Pulse returning)
BARRA
(SHAFT)
50 cm.
Esta situación crea lo que se denomina “ecos fantasmas” y es indeseable
Imagen falsa
Respuesta o eco de fondo
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 28
El objetivo es permitir la vuelta del pulso entrante antes de transmitir el pulso
precedente y en este caso habría que disminuir la FRP.
TIPOS DE INSPECCIÓN CON ULTRASONIDO
Técnica de Pulso-Eco
Esta es la técnica mas empleada de todas. El transductor que se encarga de
transmitir el sonido al material, es el mismo que recibe el sonido reflejado.
En realidad el camino recorrido por el sonido es el doble de lo que nos muestra
la pantalla del equipo.
La ubicación de los reflectores de sonido en la pantalla se hace utilizando la
escala horizontal del equipo, la cual representa el rango de distancia o tiempo
seleccionado.
La medición de la distancia o tiempo recorrido se hace fácilmente midiendo en
la escala horizontal el número de divisiones que hay entre el eco inicial y el eco
del reflector. Luego, para averiguar el camino recorrido por el sonido,simplemente se multiplica el número de divisiones por el factor de la escala
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 29
Técnica de Transmisión
Esta técnica emplea dos palpadores, uno a cada lado y enfrentados sobre la
superficie a inspeccionar.
El camino recorrido por el sonido es la mitad del recorrido por la técnica de
pulso-eco y la señal que se recibe tiene una amplitud mucho más grande,
debido a la menor atenuación del sonido.
Al contrario de la presentación de la pantalla en la técnica de pulso-eco,
cuando hay un defecto el haz ultrasónico se interrumpe parcial o
completamente dependiendo del tamaño y ubicación de la discontinuidad,
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 30
haciendo que la señal en la pantalla desaparezca igualmente parcial o
totalmente.
Técnica de Inmersión
El acople ultrasónico entre el palpador y la pieza a inspeccionar se hace
empleando agua contenida en un recipiente.
El palpador generalmente es manipulado por un brazo robotizado que mantiene
constante la separación e inclinación del palpador con respecto a la superficie
del objeto a inspeccionar.
Mediante esta técnica se evita la influencia de la zona muerta y los cambios
molestos de acople mecánico con la variación de la presión ejercida sobre el
palpador y la falta de homogeneidad del medio acoplante aplicado
manualmente.
Se debe evitar acercar el palpador a una distancia menor a 4 veces el espesor
de la pieza a inspeccionar ya que debido a la diferencia de velocidades entre el
agua y el material, a partir del segundo eco en la pantalla se tendrá que los
ecos reflejados por la superficie frontal se intercalaran con los obtenidos por la
superficie de fondo.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 31
TIPOS DE BARRIDO
Barrido tipo A, ó Scan A
Este barrido es el que se tiene comúnmente en la presentación de la señal en
la pantalla de cualquier equipo de ultrasonido. En esta presentación se observa
en la escala horizontal el eco inicial y los ecos producidos por la reflexión del
fondo del material y las discontinuidades
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 32
Barrido tipo B, ó Scan B
En este tipo de presentación de la señal, se acumulan varias lecturas obtenidas
con el barrido scan A en la memoria del equipo. Luego, estas señales
almacenadas en la memoria pueden ser presentadas en la pantalla del equipo
o enviadas a una impresora. La presentación de la señal con el barrido tipo Bcorresponde a una vista de perfil como si en realidad se estuviera seccionando
el material en el área donde se realizó el barrido. Este tipo de presentación es
útil en la evaluación del espesor de componentes que han sufrido corrosión o
erosión.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 33
Barrido tipo C o Scan C
Para este tipo de presentación se emplea un brazo robotizado que barre un
área completa con sus coordenadas x,y almacenando la información en la
memoria del equipo. Una vez se termina la captura de datos, se muestra en la
pantalla del equipo una imagen en pseudocolores, con la apariencia de una
termografía, en donde cada color representa un espesor determinado del
objeto inspeccionado.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 34
Este tipo de presentación es un complemento a la presentación del barrido tipo
B, en donde se obtiene un ubicación espacial muy precisa de los defectos
encontrados en el material
VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS
Desplazamiento de las partículas o moléculas de un material elástico al paso
de la onda sonora
( )t Cos y y o ω = (1)
La ecuación (1) teniendo en cuenta la distancia recorrida por el sonido en la
dirección X será:
( )kxt Cos y y o −= ω (2)
Siendoλ
π 2=k (3) el número de onda.
La ecuación (2) empleando la identidad de los números complejos es
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 35
( )kxt jo e y y −= ω .
(4)
Y representa el desplazamiento de la partícula molécula con respecto a un
punto de equilibrio causado por las deformaciones elásticas al paso de la onda
sonora.
La presión acústica P es la fuerza ejercida por el frente de onda sonora sobre
el área normal a través de la cual pasa esta.
Ambas magnitudes pueden ser representadas por una función Φ.
( )kxt jo e
−Φ=Φ ω .(5)
Diferenciando 2 veces la anterior ecuación con respecto a X.
( )kxt jo ek
x
−=∂
∂ ω φ φ
..22
2
(6)
Diferenciando 2 veces la misma ecuación con respecto a t.
( )kxt jo e
t
−=∂
∂ ω φ ω φ
..22
2
(7)
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 36
Sic f
T
T
k ==== .
1.
2
2
λ λ
λ
π
π
ω
(8)
Dividiendo la ecuación (7) entre la (6) y teniendo en cuenta la ecuación (8), se
obtiene
2
22
2
2
xc
t ∂∂=
∂∂ φ φ
(9)
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂+
∂
∂+
∂
∂=
∂
∂
2
2
2
2
2
22
2
2
z y xc
t
φ φ φ φ
(10)
φ φ 222
2
∇=∂
∂c
t (11)
Ecuación General de la propagación del sonidoen la dirección X.
Ecuación General de lapropagación del
Sonido en la dirección X, Y y Z.
Ecuación General de lapropagación delSonido en forma vectorial
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 37
FUERZAS DE COMPRESION Y TRACCION PRODUCIDAS POR LA
PRESION ACUSTICA DEL FRENTE DE ONDA
El balance de las fuerzas que ejerce la presión acústica de una onda
compresional sobre un volumen elemental en la dirección Y es:
Siendo dx.dy.dz el volumen elemental, ρ la densidad del material y2
2
t ∂
∂ φ la
aceleración de la onda compresional en la dirección Y.
2
2
...
t
dxdydzdzdx y
PPPdxdz
∂
∂=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂+−
φ ρ
(12)
dzPdx.
X
Y
Z
dzdx y
PP .⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 38
Si dy y dz son iguales a la unidad, la ecuación se simplifica así:
2
2
t y
P
∂
∂=∂
∂− φ ρ
(13)
La ecuación de Hooke para las deformaciones elásticas producidas por las
ondas compresionales en la dirección Y es:
y E P
∂
∂−= φ
(14)
Siendo E el modulo de Young del material y y∂
∂φ la deformación del material
con respecto a la dirección Y.
Diferenciando la ecuación (14) con respecto a Y:
2
2
y E
y
P
∂
∂−=
∂
∂ φ (15)
De las ecuaciones (13) y (15) se obtiene:
2
2
2
2
t y E
∂
∂=
∂
∂ φ ρ
φ
(16)
De las ecuaciones (9) en la dirección de Y y (16) se obtiene:
-
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-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 40
IMPEDANCIA ACUSTICA
La Impedancia acústica es la resistencia al paso del sonido que tiene cada
material.
Esta magnitud es similar al concepto de la resistencia en los circuitos
eléctricos.
De acuerdo a la ley de Ohm:
I
V Z = (22)
Donde Z es la impedancia eléctrica, V la caída de potencial e I es la corriente
eléctrica.
U
P Z a = (23)
Za es la impedancia acústica, P es la presión acústica y U la velocidad de
desplazamiento
de la partícula o la molécula del material con respecto a su punto de equilibrio.
y E P
∂
∂−= φ
(14)
La ecuación de la propagación del sonido (5) en la dirección Y es:
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 41
( )kyt jo e
−Φ=Φ ω .(24)
Diferenciando la ultima ecuación con respecto a Y.
( )kyt jo ek
y
−Φ−=∂
Φ∂ ω .. (25)
( )kyt jo e
t U −Φ=
∂
∂= ω ω
φ ..
(26)
t
y E
U
P Z a
∂
∂∂
∂−
==φ
φ
(27)
De las ecuaciones 14, 23, 25 y 26 se obtiene:
( )( )( )kyt j
o
kyt j
oa
e
ek E
U
P Z
−
−
Φ
Φ−−==
ω
ω
ω ..
..
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 42
ω
k E
U
P Z a
.==
c
E
f
E E T
T
E
Z a ==== .
.2
2.
λ λ π λ
π
c
c
c
E Z a
ρ .2==
c Z a . ρ =
La impedancia acústica se mide en Rayls y debido a que es una unidad tan
pequeña se emplean los MRayls.
Los materiales poseen impedancia acústica para las diferentes ondas de
propagación, así por ejemplo existe impedancia acústica para las ondas
longitudinales y para las ondas transversales.
INTERACCION DE UN HAZ ULTRASONICO INCIDENTE EN FORMA
NORMAL CON UNA INTERFASE
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 43
Las presiones acústicas incidente, reflejada y transmitida son:
( )
( )( ) xk t Sen AP
xk t Sen BP
xk t Sen AP
t
r
i
22
11
11
.
.
.
−=
+=
−=
ω
ω
ω
Las presiones acústicas expresadas en función de la velocidad de las
partículas o moléculas
U y la Impedancia acústica
2
1
1
.
.
.
Z U P
Z U P
Z U P
t t
r r
ii
=
−=
=
Pi
Pr
Pt
Ui
Ur
Ut
Z1
Z2Interfase
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 44
Cuando hay contacto intimo entre los dos medios X= 0 y entonces
( )
( )
( )t Sen AP
t Sen BP
t Sen AP
t
r
i
ω
ω
ω
.
.
.
2
1
1
=
−=
=
El balance de presiones acústicas P y velocidades de las partículas U a través
de la interfase es:
t r i
t r i
U U U
PPP
+=
+=
Ampliando la anterior expresión:
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
2
2
1
1
1
1
211
......
Z
t Sen A
Z
t Sen B
Z
t Sen At Sen At Sen Bt Sen A
ω ω ω ω ω ω
+=
+−=
Simplificando en las dos ecuaciones ( )t Sen
2
2
1
1
1
1
121
Z
A
Z
B
Z
A
B A A
+=
−=
( ) 12211
112
. Z A Z B A
B A A
=−
+=
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 45
El coeficiente de presión acústica transmitida es:
1
2
A
A
P
P
i
t =
( )
( )
21
212
21221
221221
122221
122121
121
2
2..2
..2
..
Z Z
Z A A
Z Z A Z A
Z A Z A Z A
Z A Z A Z A
Z A Z A A A
A A B
+=
+=+=
=−
=+−
−=
21
2
1
21
21
22
Z Z
Z
A
Z Z Z A
P
P
i
t
+=
+=
El coeficiente de presión acústica reflejada es:
21
12
21
2
1
2
1
12
1
1
12
1
Z Z
Z Z
P
P
Z Z
Z
P
P
A
A
A
A A
A
B
P
P
i
r
i
r
i
r
+
−=
−+
=
−=−
==
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 46
La intensidad de la onda sonora es proporcional a la amplitud de la presión
acústica al cuadrado
2P I ∝
El balance de intensidades de las ondas sonoras a través de una interfase es:
r t i I I I +=
Si se normaliza la anterior ecuación con respecto a i I
t r
i
r
i
t
i
i
I
I
I
I
I
I
α α +=
+=
1
La unidad es igual a la suma del coeficiente de reflexión y el coeficiente de
transmisión.
El coeficiente de reflexión es:
2
2
i
r
i
r r
P
P
I
I ==α
El coeficiente de reflexión será
( )
( )221
212
Z Z
Z Z r
+
−=α
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 47
Y el coeficiente de transmisión será
r t α α −=1
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 48
MODO DE CONVERSIÓN –ONDAS COMPRESIÓNALES A
TRANSVERSALES
El fenómeno de conversión de la propagación de ondas compresionales a
ondas transversales se presenta bajo la incidencia oblicua de una haz de
ondas longitudinales con respecto a una interfase.
a) Refracción
Ocurre cuando el haz incidente de ondas longitudinales en el medio 1 al chocar
con la interfase se refracta, es decir cambia de dirección en el medio 2, pero
adicionalmente se genera un segundo frente de ondas en el segundo medio
que corresponde a las ondas transversales.
Comp.
Corte
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 49
b) Reflexión
Se presenta con un cambio de dirección del haz de ondas longitudinales
incidente, de tal forma que este rebota en la interfase volviendo al mismo medio
con un ángulo que es igual al mismo ángulo de incidencia. Este haz reflejado
es también de ondas longitudinales. Simultáneamente la incidencia oblicua del
haz sobre la interfase produce modo de conversión, generando un haz de
ondas transversales.
LEY DE SNELL
Para la refracción del sonido, la ley de Snelll describe la relación matemática
entre velocidad de propagación del sonido, el ángulo de incidencia θ1, y el
ángulo de refracción, como sigue:
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 50
2
2
1
1
V
Sin
V
Sin θ θ =
Los ángulos de refracción mas empleados en palpadores angulares son:
- 45 °
- 60 °
- 70 °
- 90 ° ondas de superficie.
ATENUACIÓN DEL SONIDO:
La atenuación del sonido cuando se propaga en un material se debe a dos
factores: Divergencia del haz ultrasónico en la distancia, correspondiente al
Θ1- Angulo de incidencia.Θ2-Angulo de refracción.V1-Velocidad del haz en el medio 1.V2- Velocidad del haz en el medio 2.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 51
campo lejano y a los fenómenos de interacción del sonido con el material
inspeccionado.
La interacción del sonido con la micro-estructura del objeto a inspeccionar
puede resultar en absorción convirtiendo parte de la energía en calor,
dispersión o sea cambio de dirección del sonido cuando sale de los granos y
reflexión generada en la frontera de cada grano.
En esta expresión Ao es la amplitud inicial de la onda que se propaga en la
dirección Z.
A- Es la amplitud de la onda que ha viajado una distancia Z.
e- Es el numero Neperiano = 2.71828.
α-Coeficiente de atenuación de sonido Neper / m.
En la práctica, resulta más cómodo calcular la atenuación en Decibelios.
0
log20 A
AdB =
1 Neper = 8.686 dB.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 52
CAMPO CERCANO Y LEJANO
La geometría del haz ultrasónico a medida que se aleja del transductor
cambia. Primero este converge hacia un mismo punto con la ayuda de lentes
especiales y luego diverge en dependencia de la frecuencia y el tamaño del
palpador.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 53
Si nos imaginamos al transductor como un conjunto de diminutos
transductores, cada uno generando un pulso de sonido, estos serán sometidos
a los fenómenos de interferencia, la cual puede ser constructiva y destructiva.
La zona en donde se presentan estos fenómenos de interferencia es llamada la
Zona Cercana y se puede estimar aproximadamente con la siguiente
expresión:
λ 4
2 DCercana Zona =
No se recomienda hacer inspecciones trabajando dentro del campo cercano ya
que debido a los fenómenos de interferencia, la señal no es confiable.
La divergencia del haz ultrasónico se puede evaluar de la siguiente expresión:
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 54
DSen
λ θ 22.1
2 =
En donde θ/2 es el ángulo de semi-divergencia.
TRANSDUCTORES ULTRASONICOS
Se llama transductor ultrasónico a cualquier dispositivo que mediante un
principio físico determinado produce sonido:
De acuerdo al principio físico los transductores se pueden clasificar así:
-Piezo-eléctricos.
-Magneto-estricción.
-EMAT.
-Laser
-Aéreos.
Los más empleados son los transductores piezo-eléctricos
Transductor piezo-eléctrico.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 55
Este transductor emplea el fenómeno piezo-eléctrico. Hay varios cristales
artificiales y naturales como el cuarzo que bajo la excitación eléctrica pueden
deformarse y viceversa al deformarlos producen pequeños pulsos eléctricos.
La diferencia de potencial necesaria para excitar estos transductores es
considerablemente alta: 100 V hasta 800 V.
Cada palpador tiene un rango de frecuencia donde va a responder. Este rango
corresponde a la respuesta de frecuencia del palpador que es una curva con la
cual el fabricante caracteriza a su palpador. Esta curva relaciona La
atenuación en dB versus la frecuencia.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 56
RESPUESTA DE FRECUENCIA DEL PALPADOR
La frecuencia máxima corresponde a la frecuencia en donde mejor responde el
transductor. Esta frecuencia es la de resonancia que se presenta cuando el
espesor del material del cristal es igual a media longitud de onda.
t f
f
t
=
=
=
2
1
12
λ
λ
Transductores aéreos
f f max
+3dB-
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 57
Los transductores aéreos fueron desarrollados recientemente y su principal
ventaja al igual que los transductores EMAT, es que no se requiere acoplante
para transmitir el sonido al material.
De la teoría del Ultrasonido se conoce que la reflexión del sonido en las
interfases de aire metal o aire material compuesto es muy alta debido a la gran
diferencia de impedancias acústicas y solamente un 1% de toda la energía
producida se transmite al material a inspeccionar.
Este tipo de transductor solo opera hasta frecuencias máximo de 1 MHZ,
debido a que a frecuencias superiores a este valor pierde su eficiencia
Para aprovechar tan poca energía, este transductor opera con bastante
potencia aprovechando al máximo el efecto piezo-eléctrico y tiene conectado
dispositivos eléctricos para poder incrementar la resonancia del transductor.
Se emplea siempre doble transductor para reducir la distancia recorrida por el
sonido a la mitad y aumentar la relación Señal ruido al doble.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 58
Arreglos Geométr icos para producir di ferente tipos de ondas
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 59
INSPECCIÓN CON ULTRASONIDO EN EL SECTOR AERONAUTICO
La inspección con ultrasonido tradicional en el sector aeronáutico tiene los
siguientes campos de aplicación:
- Detección de grietas originadas por fatiga, saliendo de los orificios de lossujetadores y fisuras originadas también por fatiga, en las orejas de los
herrajes de sujeción.
- Evaluación de espesores y corrosión escondida
- Detección de defectos en materiales compuestos como despegues y
deslaminaciones
- Inspección de uniones adhesivas por despegue en estructuras: metal-
metal y metal-compuesto.
INSPECCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS
En la inspección de materiales compuestos se emplean diferentes técnicas con
un rango de frecuencias que generalmente están entre los 50 y 300 KHz
Método de impedancia
En esta técnica se emplean transductores con un contacto en seco y puntual
con respecto al material a inspeccionar.
El principio físico del método esta basado en la evaluación de la rigidez de la
estructura multicapas, lo cual lo hace bastante útil para la detección de
despegues en uniones adhesivas.
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 60
Cualquier cambio de la rigidez de la estructura, se reflejará sobre el transductor
piezoeléctrico que trabaja con un diapasón de frecuencias entre 500 Hz y 40
KHz
Método de pulso-eco
En esta técnica se emplea un palpador normal de baja frecuencia para evitar la
atenuación en la inspección de materiales compuestos. Desafortunadamente,
al disminuir la frecuencia, la resolución de defectos pequeños tambiéndisminuye.
Método de reverberación
El método de reverberación, es una variante de la técnica de pulso-eco, en
donde se observa los múltiples ecos reflejados en la estructura multicapas. Así,
por ejemplo en una unión adhesiva metal-compuesto en buenas condiciones,
se observará un decaimiento rápido de la amplitud de los ecos causada por la
alta atenuación de los compuestos. Cuando hay un despegue o falta de
adherencia del metal con el compuesto, la señal obtenida tendrá menos
atenuación, debido a que el sonido prácticamente se limita a vibrar dentro del
espesor del metal.
Método de transmisión
En este método se emplean dos palpadores normales enfrentados entre sí y
cuando hay una presencia de despegue, la transmisión de sonido del emisor al
receptor, se interrumpe y obviamente en el equipo la señal desaparece
Método de resonancia
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 61
Aquí empleamos la resonancia entre el espesor del objeto a inspeccionar y la
frecuencia del palpador.
El instrumento permite cambiar las frecuencias de las vibraciones producidas
sobre el objeto de tal manera que cuando la semi-longitud de onda del sonido
producido sea equivalente al espesor del material, el sistema transductor
material entrará en resonancia y de esta manera se podrán evaluar espesores
y corrosión escondida en láminas delgadas.
EMISION ACUSTICA
La emisión acústica es un ultrasonido pasivo de baja frecuencia.
De acuerdo a la ASTM, es la generación de ondas elásticas transientes durante
una rápida generación de energía de fuentes localizadas dentro de un material.
Las fuentes de estas emisiones en los metales están asociadas con las
dislocaciones que acompañan la deformación plástica y el inicio de grietas en
una estructura bajo tensión.
La técnica de la emisión acústica, esta basada en la detección y conversión de
estas ondas elásticas de alta frecuencia en señales eléctricas.
La detección de estas fuentes sonoras puede realizarse con transductores
aéreos o en contacto con el material
Algunas aplicaciones son:
- Estudios de laboratorio
- Inspección no intrusiva en campo
- Evaluación de integridad estructural
- Pruebas de hermeticidad de recipientes
- Pruebas del fondo de los tanques
- Pruebas de cierre de válvulas
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 62
- Detección de corrosión
- Pruebas de transformadores
- Materiales inteligentes
INSPECCION DE SOLDADURAS.
Entre las aplicaciones metalúrgicas del ensayo de ultrasonido, una de las mas
importantes es la inspección de soldaduras, o dicho de otra forma, la detección
de discontinuidades en uniones soldadas.
Previo al inicio de la inspección de una junta soldada, es importante conoceruna serie de factores, tales como:
• Materiales (tipo de material base, tipo de electrodo) .
• Dimensiones de la junta (espesores).
• Extensión del ensayo.
• Especificaciones aplicables.
• Tipo de Junta (diseño de bisel).• Proceso de soldadura.
Todos éstos datos deben ser suministrados por el fabricante, con el objetivo de
realizar calibraciones adecuadas a las normas que regirán la ejecución de los
ensayos.
• Tipos de Uniones Soldadas.
En general, las uniones soldadas pueden ser clasificadas en tres categorías:
• Uniones a tope.
• Uniones en ángulo.
• Uniones en “T”.
• Uniones a Tope.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 63
Las uniones a tope pueden ser definidas como uniones donde el ángulo
existente entre las piezas a soldar es 180°. En la Figura 8.4 se muestran
algunos tipos de uniones soldadas a tope indicando el símbolo según el tipo de
bisel.
En la Figura 8.4 se muestran algunos tipos de uniones soldadas a tope,
extraídas del Código de Soldadura Estructural de la Sociedad Americana de
Soldadura.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 64
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 65
Figura 8.4. Uniones soldadas a Tope
• Uniones en Ángulo.
Las uniones en ángulo son definidas como uniones en las que el ángulo
existente entre las piezas a soldar está por el orden del Angulo recto (± 90°), o
sea, forma esquinas entre las piezas soldadas. En la Figura 8.5 se muestran
algunos tipos de uniones en ángulo, con su símbolo respectivo según el tipo de
bisel.
En la Figura 8.5 se muestran algunos tipos de uniones soldadas en ángulo,extraídas del Código de Soldadura Estructural (Structural Welding Code) de la
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 66
Sociedad Americana de Soldadura (A.W.S. -American Welding Society)
Sección 2.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 67
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 68
Figura 8.5. Uniones soldadas en ángulo
• Uniones en “T”
Las uniones en "T", generalmente, son definidas como uniones en las que el
terminal de un miembro es soldado a una zona intermedia del otro miembro. El
ángulo de unión puede ser diferente de 90°; sin embargo, en la Figura 8.6 se
muestran uniones soldadas tipo “T” con ángulo de unión igual a 90°, cada una
con su símbolo correspondiente.
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 69
Las uniones soldadas mostradas en las Figuras 8.4, 8.5 y 8.6, fueron obtenidas
del Código A.W.S. (American Welding Society), Código de Soldadura
Estructural (Structural Welding Code), Sección 2, Figuras 2.9.1 y 2.10.1. Los
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 70
ángulos y las dimensiones en general de las juntas dependen del
procedimiento de soldadura que se utilice, para lo cual debe ser consultado,
directamente, dicho Código. Sin embargo, el objetivo de estas Figuras es el de
presentar una idea general de los tipos de biseles y sus símbolos
correspondientes.
• Procesos de Soldadura
Para la realización de la inspección de soldaduras, es conveniente conocer el
proceso por el cual se efectúa o se efectuará la unión soldada. Existen una
gran cantidad de procedimientos patentados que en sí, pueden ser agrupadosentre los siguientes:
• Soldadura por arco con electrodo recubierto (shielded metal - arc
welding process).
• Soldadura por arco sumergido (submerged - arc welding process) .
• Soldadura por arco con electrodo recubierto internamente (self-shielded
flux-cored welding process).• Soldadura por arco con protección de gas (gas-shielded - arc welding
process).
Estos cuatro procesos de soldadura engloban las aplicaciones mas comunes.
Además, revisaremos brevemente algunos otros procesos de soldadura por
arco eléctrico especializados.
• Soldadura por Arco con Electrodo Recubierto.
El proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto (shielded metal - arc
welding process), comúnmente conocido como soldadura manual, es el mas
ampliamente usado entre los diferentes tipos de procesos de soldadura. Se
caracteriza por su versatilidad y flexibilidad y relativa simplicidad de los equipos
involucrados. Este es el proceso utilizado por los fabricantes de menor
envergadura, si bien es el que posee la aplicación mas extensa en la
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 71
fabricación industrial, construcción de estructuras de acero, y otras muchas
aplicaciones.
En éste proceso, se forma un arco eléctrico entre la pieza a soldar y la varilla
metálica recubierta (de cierta longitud), o sea, el electrodo. El electrodo se
sujeta con la pinza porta electrodo, la que está unida por medio de cable a la
fuente de poder. La pinza se encuentra aislada y será manipulada por el
operador para que el extremo del electrodo forme el arco con las piezas que
conforman la junta. Cuando el extremo del electrodo toca la pieza, y
manteniendo la distancia, se establece el arco eléctrico, entonces se
completará el circuito de soldadura. El calor producido por el arco funde elmetal base en el área inmediata, funde también el metal ubicado en el núcleo
del electrodo y cualquier partícula metálica que se encuentre en el
recubrimiento del mismo. A la vez, por fusión, se produce la vaporización o la
rotura química de las sustancias no metálicas incorporadas en el recubrimiento,
protegiendo el arco eléctrico. La mezcla de materiales fundidos (metal base
mas material de relleno) provee la coalescencia requerida para efectuar la
junta.
A medida que avanza la soldadura, el electrodo va consumiéndose.
Finalmente, la soldadura debe ser detenida para sustituir el electrodo, o lo que
queda de él, por uno nuevo. El periodo de tiempo transcurrido entre los
sucesivos cambios de electrodos es la mayor desventaja de éste proceso de
soldadura, causando la disminución del factor de operabilidad.
Otra desventaja de éste proceso es la limitación en la corriente que puede ser
usada. Amperajes altos, tales como los utilizados en los procesos
semiautomáticos y automáticos, no pueden ser aplicados por causa de la
longitud (y sus variaciones) del electrodo entre el arco y el punto de contacto
con la pieza de soldar. La corriente se limita por causa de la resistencia al
calentamiento del electrodo. La temperatura del mismo no puede exceder al
punto de rotura del recubrimiento. Si esto ocurre, se producirán reacciones
-
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 72
químicas entre el metal y el recubrimiento, o entre el recubrimiento y el aire,
teniendo como consecuencia el funcionamiento incorrecto del arco.
Los ingredientes del recubrimiento tienen varias funciones. Una de ellas es la
protección del arco; provee una cubierta densa e impenetrable de vapor o gas
alrededor del arco y del material fundido, para prevenir la entrada de oxígeno y
nitrógeno y la formación de óxidos y nitratos en la soldadura. Otra función es la
de proveer desoxidantes que refinen el material soldado. Una tercera es la de
producir una cubierta de escoria sobre los glóbulos fundidos de metal durante
su transferencia a través del arco y mientras se solidifique la soldadura. La
Figura 8.7 ilustra acerca del recubrimiento y la forma como el arco y el materialsoldado son protegidos del aire.
Figura 8.7. Diagrama ilustrativo de la soldadurapor arco con electrodo recubierto
Una función adicional del recubrimiento es la de proveer la ionización necesaria
para la soldadura con corriente alterna. Con la corriente alterna, el arco se
produce 120 veces por segundo. Para reiniciar el arco, el paso del flujo
eléctrico debe ser mantenido. Componentes en base a potasio en el
recubrimiento del electrodo permiten la ionización de las partículas necesarias
para mantener el flujo eléctrico durante fracciones de segundo, evitando la
extinción del arco por efecto de los ciclos de corriente alterna.
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El mecanismo de operación del proceso de soldadura por arco con electrodo
recubierto varía según el tipo de electrodo. Algunos tipos de electrodos
dependen de la desaparición de los gases de protección para resguardar el
arco eléctrico y el metal soldado. Con éstos electrodos se formará una capa
ligera de escoria sobre la soldadura. Otros tipos dependen justamente de la
escoria para la protección. La acción protectiva resulta de que los glóbulos
diminutos de metal fundido, que son transferidos desde el electrodo hasta la
soldadura, son cubiertos totalmente con una capa fina de escoria fundida, lo
que resulta en que la capa final de escoria que cubrirá el cordón de soldadura
será gruesa.
Las características de funcionamiento de los electrodos están referidas a las
propiedades de formación de la capa protectora de escoria. Electrodos con
capas de escoria gruesas poseen altas ratas de deposición y son adecuados
para las posiciones de soldadura horizontal y en bajada. Los electrodos que
desarrollan atmósferas de protección y producen capas de escoria delgadas,
tienen bajas ratas de deposición y son adecuados para las posiciones de
soldadura vertical y en subida.
Este proceso de soldadura requiere relativamente bajas corriente (10 a 500
Amperios) y voltaje (17 a 45 Voltios), que dependen del tipo y diámetro del
electrodo. La corriente puede ser alterna (AC) o directa (DC), o una
combinación de ambas AC/DC.
• Soldadura por Arco Sumergido.
El proceso de soldadura por arco sumergido (submerged - arc welding
process), difiere de otros procesos de soldadura por arco eléctrico en que la
cobertura de fundente, material granular, es usada para proteger el arco y el
material fundido. El arco eléctrico se forma entre la pieza a soldar y el electrodo
de alambre descubierto, el extremo de éste está sumergido en el flujo. Cuando
el arco eléctrico es cubierto completamente por el flujo, no será visible y la
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soldadura se llevará a cabo sin destellos, salpicaduras, ni chispas. Los
destellos, las salpicaduras y las chispas son características de los procesos de
arco eléctrico abierto. La naturaleza del flujo es semejante a una muy pequeña
exhalación de gases o vapores visibles que se desarrollan a causa de la fusión.
El proceso de soldadura por arco sumergido puede ser semiautomático o
automático, con alimentación mecánica del electrodo a la pistola de soldar,
cabezal o cabezales de soldadura. En el proceso semiautomático el operador
desplaza la pistola de soldar, equipada con un mecanismo que alimenta el flujo
de gases de protección, a lo largo de la junta. Los gases pueden ser
alimentados por flujo gravitacional, a través de una boquilla concéntricaubicada alrededor del electrodo y conectada a tanques presurizados. Los
gases de protección pueden también ser aplicados directamente a la junta,
pero cerca del arco eléctrico para que se haga posible su función. En las
procesos automáticos, los gases fluyen continuamente de la misma forma que
en los procesos semiautomáticos, además, las instalaciones automáticas están
provistas de sistemas de vacío que recogen los gases no utilizados y los
reciclan para ser rehusados.
Durante el proceso de soldadura, el calor generado por el arco eléctrico funde
parte del flujo gaseoso con la punta del electrodo, tal y coma se observa en la
Figura 8.8. La punta del electrodo y la zona soldada están, siempre, rodeados y
protegidos por los gases fundidos, con capas del flujo de gases sin fundir por
encima. El electrodo se debe mantener con una pequeña separación con
respecto a la junta a soldar. Con el avance progresivo de la soldadura, a lo
largo de la junta, los gases fundidos caen sobre el material formando la escoria.
El metal fundido, que tiene un punto de fusión mas alto, solidifica cuando la
escoria aun está fundida. Una vez que la escoria ha solidificado sobre la
soldadura, continua su función protectora debido a que la temperatura, aun
presente, puede provocar reacciones químicas con agentes atmosféricos
contaminantes, tales como oxigeno y nitrógeno. Una vez enfriada la zona
soldada, la cáscara de escoria puede ser levantada fácilmente.
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Figura 8.8. Diagrama ilustrativo de la soldadura por arco sumergido
En general, existen dos sistemas de protección en el proceso de soldadura por
arco sumergido, por adherencia y por fusión. El sistema por adherencia opera
bajo el principio de granos finos de compuestos químicos mezclados, tratadoscon agentes adhesivos y fabricados como agregados granulares. Los
desoxidantes son incorporados en el flujo de gases. El sistema por fusión
consiste en cristales que resultan de la fusión de varios elementos químicos
que son molidos desde cristales a forma granular. Los granos pueden poseer
elementos de aleación para la soldadura.
Con el proceso de soldadura por arco sumergido se pueden aplicar corrientes
altas, con las que se desarrollan temperaturas elevadas. Debido a que la
corriente es aplicada al electrodo, cuyo extremo está separado cierta distancia
de la pieza de soldar, es necesario usar amperajes altos con electrodos de
diámetro pequeño. El resultado es la presencia de corrientes de densidad
elevada en secciones relativamente pequeñas de los electrodos.
La cobertura aislante ubicada por encima del arco eléctrico previene
rápidamente las fugas de calor, y lo concentra en la zona fundida. No
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solamente el electrodo y el material base, en el bisel, funden rápidamente, pues
la fusión se profundiza en el material base. Debido a la gran penetración de la
fusión, es posible usar biseles pequeños, por tanto se minimiza la cantidad de
material de aporte por longitud de soldadura y se aumenta la velocidad. La
cantidad de calor aplicado a la junta es, por tanto, reducida debido a la
velocidad de soldadura, lo que implica que las deformaciones o distorsiones
ocurridas por el calor pueden prevenirse. Las juntas con espesores
relativamente bajos podrán ser unidas con la aplicación de un solo pase de
soldadura.
A través de la regulación de la corriente, el voltaje y la velocidad, el operadorpuede ejercer un control preciso sobre la penetración para obtener los rangos
adecuados. Pueden obtenerse cordones profundos y delgados, reforzados por
sobreespesor, o anchos con poca profundidad y superficiales. Los cordones
realizados con gran penetración pueden contener alrededor de un 70% de
material base fundido, mientras que las soldaduras anchas y superficiales un
10% del metal base. Las propiedades de alto poder de penetración del proceso
de soldadura por arco sumergido pueden ser utilizadas para eliminar o reducir
la preparación de biseles.
Las ratas de deposición, mediante la soldadura por arco sumergido, son
bastante altas, tanto como diez veces las obtenidas con el proceso de
soldadura con electrodo recubierto.
La soldadura por arco sumergido puede efectuarse tanto con corriente alterna
(AC), como con corriente directa (DC). Soldar con corriente directa permite un
mejor control de la forma del cordón, la penetración, y la velocidad de
soldadura, el comienzo se hace mas fácil. Operar con corriente alterna permite
altas ratas de depósito y mínima penetración.
El proceso de soldadura por arco sumergido puede aplicarse con todos los
tipos de junta, y en materiales tales como: aceros al carbono y de baja
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En la Figura 8.9 se ilustra el proceso de soldadura por arco con electrodo
recubierto internamente. En la boquilla, el dispositivo de contacto eléctrico
sirve, a la vez, como guía para el electrodo hacia la soldadura; además, ésta se
encuentra aislada en la punta. Se observan, también, las gotas de metal
fundido en descenso hacia la zona de soldadura, cubiertas de capas delgadas
de escoria fundida; así como los gases de protección generados durante el
proceso, y la formación de la escoria que protegerá la junta durante el
enfriamiento.
Esencialmente, la soldadura por arco semiautomática con recubrimiento interno
difiere del proceso de soldadura por arco manual, con electrodo recubierto, enque los electrodos utilizados pueden ser tan largos como se requiera en el
primero, mientras que los electrodos recubiertos externamente tienen
longitudes estándares que, en la mayoría de los casos, resulta insuficiente.
El proceso de soldadura semiautomático funciona con un sistema de pistola, el
cual es manejado por un operador que, al ser manipulado el gatillo, activa el
mecanismo que alimenta el flujo del electrodo hacia el arco eléctrico. La mayor
diferencia entre este proceso y los restantes, radica en que el material de
aporte del electrodo rodea a los elementos desoxidantes y de protección
química, mientras que en los procesos restantes ocurre lo contrario.
La automatización del proceso de soldadura que involucra la utilización de
electrodos recubiertos internamente es un paso adicional hacia la
mecanización, o sea, la sustitución de los procesos que operan bajo la
manipulación de los sistemas de arco abierto.
Una razón de la incorporación del recubrimiento en el centro del alambre
tubular, es la factibilidad de poder embobinar el electrodo; los electrodos con
recubrimiento externo son frágiles, lo que imposibilita su embobinado. La
posibilidad de embobinar los electrodos resuelve el problema de como
mantener el contacto eléctrico continuamente durante el proceso de soldadura.
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Cuando se habló del proceso que envuelve la utilización de electrodos
recubiertos externamente, se mencionó que una de las limitaciones es el nivel
de corriente eléctrica aplicada durante el proceso; si éste es sobrepasado,
causará sobrecalentamiento y dañará el recubrimiento; lo cual puede ocurrir
fácilmente debido a las variaciones de longitud del electrodo entre el punto de
contacto eléctrico en la pinza y el extremo. Pero cuando el contacto eléctrico
puede hacerse cercano al arco, y con la distancia constante, tal y como ocurre
con el proceso en cuestión, pueden utilizarse corrientes relativamente altas con
electrodos de alambre de diámetro pequeño. Por esta razón, es posible obtener
altas ratas de deposición con los sistemas semiautomáticos.
Las ratas de deposición obtenidas, además de la alimentación automática
eliminando las pérdidas de tiempo por el cambio de electrodos, resulta en una
economía sustancial de la producción por lo que el proceso semiautomático ha
venido reemplazando los procesos manuales. Este proceso implica una
disminución de los costos de soldadura de hasta un 50 %, y el incremento en la
rata de deposición de hasta a el 400%.
El proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto internamente
presenta una serie de ventajas que pueden ser resumidas en:
• Con respecto al proceso de soldadura por arco, manual, con electrodo
recubierto, la alta de deposición aumenta alrededor de cuatro veces,
disminuyendo los costos involucrados entre 50 y 75 %.
• Elimina la necesidad de equipos o mecanismos adicionales para realizar
el recubrimiento, tal como se aplica en la soldadura por arco sumergido,
o de tanques para los gases de protección, como en el proceso de
soldadura por arco con protección de gas. El proceso es aplicable donde
los otros pueden ser demasiado difíciles de manejar.
• Presenta buenos resultados en soldadura de aceros donde, con los
otros procesos, normalmente se producen grietas. Sin embargo, en
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aceros al carbono medianos puede causar agrietamiento al usar
procedimientos de soldadura normales.
• Bajo condiciones normales, elimina los problemas causados por los
aumentos de la humedad y almacenamiento que ocurren con electrodos
de bajo hidrógeno.
• Elimina el despilfarro de trozos o pedazos de electrodos, así como las
pérdidas de tiempo ocurridas durante el cambio o sustitución de los
mismos.
• Es adaptable a una gran variedad de materiales y aleaciones, permite la
operación continua y la soldadura de todos los tipos de juntas.
• Procesos de Soldadura por Arco con Protección de Gas.
Cuando hablamos de los procesos de soldadura por arco con electrodo
recubierto (ver Apartados 8.2.2.1 y 8.2.2.3) fue mencionado que éstosdependen, en parte, de los gases generados por el calentamiento del
recubrimiento, causado por el arco eléctrico. En contraste, los procesos de
soldadura por arco con protección de gas (gas shielded arc welding proccess)
utilizan ambos métodos: electrodo desnudo o alambre recubierto internamente
y gases provenientes de fuentes externas como protección. El gas es
suministrado por una boquilla que rodea al electrodo, éste debe ser inerte, tal
como argón, helio o dióxido de carbono, siendo este el mas barato entre los
apropiados para la soldadura de los aceros. Algunas veces se utilizan mezclas
de gas inertes, oxígeno y dióxido de carbono, solamente para producir
características especiales del arco eléctrico.
Entre los procesos de soldadura por arco con protección de gas, se pueden
mencionar tres que son los que poseen mayores aplicaciones en la industria,
que son:
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• Soldadura por arco con electrodo recubierto interna mente y protección
de gas
• Soldadura por arco con protección de gas,
• Soldadura por arco con electrodo de tungsteno y atmósfera inerte.
• Proceso de Soldadura por Arco con Recubrimiento Interno y
Protección de Gas.
El proceso de soldadura por arco con el electrodo recubierto internamente y
protección de gas (gas shielded flux-cored process), es un híbrido entre el
proceso de soldadura por arco con recubrimiento interno y el proceso de
soldadura por arco con protección de gas. Los electrodos utilizados son
alambres tubulares, tal como los usados en el proceso que involucra la
aplicación de electrodos con recubrimiento interno, pero los ingredientes
internos son para mejorar el flujo de material fundido, desoxidar, y algunas
veces para la adición de elementos de aleación, mas que para generar los
gases de protección. Por otra parte, es similar al proceso de soldadura por arco
con protección de gas, pues el gas es aplicado separadamente (ver Figura8.10).
Figura 8.10. Diagrama ilustrativo del proceso de soldadurapor arco con recubrimiento interno y protección de gas
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Las pistolas de soldar y los cabezales, en lo que respecta a los procesos de
soldadura semiautomáticos y automáticos, son mas complejos que los usados
en el proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto internamente. En
éste se adicionan los conductos para el flujo de los gases de protección. Si
además, el enfriamiento del cabezal se realiza por agua, los conductos para la
circulación del líquido serán incluidos. El mecanismo de alimentación del
electrodo es similar al utilizado en los equipos para la soldadura por arco con
electrodo recubierto internamente.
Su aplicación está destinada a la soldadura de aceros templados y de baja
aleación. Proporciona altas ratas y eficiencias de deposición y altos factores de
operación. Proporciona juntas soldadas de gran calidad, y los cordones de
soldadura en aceros templados y de baja aleación tienen muy buenas
ductilidad y dureza. El proceso es adaptable a una gran variedad de juntas y es
posible lograr todas las posiciones de soldadura.
• Proceso de Soldadura por Arco con Protección de Gas.
El proceso de soldadura por arco, semiautomático, con protección de gas (gas
metal arc welding), mejor conocido como M.I.G. (metal inert gas), utiliza
electrodos continuos para el relleno y fuentes externas de gas de protección. El
gas de protección, bien puede ser helio, argón, dióxido de carbono o una
mezcla de ellos, protege el metal fundido de reacciones químicas con
elementos constituyentes de la atmósfera. Si bien, la atmósfera de gas es
efectiva en la protección del metal fundido, los electrodos son también aleados
con elementos desoxidantes. Algunas veces se aplica a los electrodos
recubrimientos ligeros para estabilizar el arco, o películas lubricantes para
incrementar la eficiencia en la alimentación del electrodo. Pueden incluirse,
también, gases reactivos en la mezcla de protección para acondicionar el arco
eléctrico. En la Figura 8.11 se muestra un esquema del método de soldadura
con protección de gas y alimentación continua del electrodo.
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Figura 8.11. Diagrama ilustrativo del proceso de soldadurapor arco con protección de gas
El proceso de soldadura M.I.G. puede ser usado con la mayoría de los
materiales metálicos comerciales, entre los que se pueden mencionar: aceros
al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables, aluminio, magnesio, cobre,
hierro, titanio, etc. La mayor parte de los aceros son soldados
satisfactoriamente con éste proceso. Cuando se unen por soldadura aceros de
bajo carbono y aceros de baja aleación, se utilizan atmósferas de dióxido de
carbono o mezclas de argón y oxígeno, mientras que las atmósferas de gases
inertes puros se utilizan para soldar aceros de alta aleación.
La transferencia del material con el proceso de soldadura M.I.G. se realiza por
dos métodos: arco rociado o circuito corto. El método de arco rociado consiste
en gotas de metal fundido que se desprenden del electrodo y, a través del arco
eléctrico, caen a la pieza. Por su parte, el método de circuito corto, consiste en
la transferencia del metal fundido a la pieza cuando el extremo del electrodo se
funde por contacto con el material fundido de la pieza. El método de circuito
corto utiliza corrientes bajas, voltajes bajos y alambres de diámetro pequeño.
El método de transferencia por arco rociado se subdivide en dos tipos
diferentes. Cuando el gas de protección es argón o una mezcla de argón y
oxígeno, las gotas de metal fundido son sumamente finas, por lo que nunca se
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crean circuitos eléctricos cortos. Cuando se utilizan atmósferas de dióxido de
carbono o mezclas de argón y dióxido de carbono, tiende a formarse gotas de
material fundido de diámetro mayor al del electrodo. Estas gotas, grandes en
dimensión, causan circuitos eléctricos cortos, por lo que éste modo se conoce
como transferencia globular.
El arco rociado produce calor intenso, arco eléctrico de alto voltaje, y, así, es
posible obtener ratas mas altas de deposición que el método de circuito corto.
Se requieren corrientes de alta densidad para la transferencia de metal a través
del arco.
• Proceso de Soldadura por Arco con Electrodo de Tungsteno y
Atmósfera Inerte.
La definición del proceso de soldadura por arco con electrodo de tungsteno y
atmósfera inerte (gas tungsten arc welding - T.I.G.), es un proceso de
soldadura en el cual se produce la coalescencia por calentamiento con un arco
eléctrico formado entre el electrodo de tungsteno y la pieza a soldar. El metal
de relleno puede o no ser usado. La protección del arco se obtiene con gas o
mezcla de gases.
El electrodo de tungsteno, no consumible, hace las veces de soplete,
mecanismo de calentamiento. Bajo la acción del gas protector, los metales a
ser unidos deben ser calentados por encima de sus puntos de fusión para que
se produzca la soldadura. Una vez enfriada el área fundida, ésta solidificará
produciéndose la unión. Se debe aplicar presión a las piezas cuando los
extremos se aproximen al estado fundido para que pueda ocurrir la
coalescencia. La soldadura efectuada de ésta forma no requiere material de
aporte.
Si el trabajo es muy fuerte para la simple fusión de los extremos de la junta, o si
el bisel es abierto, es necesaria la adición de materiales de relleno. El material
de aporte es suplido en forma de varilla, manualmente o por alimentación
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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 85
mecánica, a la zona fundida. Ambos, el extremo del electrodo de tungsteno, no
consumible, y la punta de la varilla de relleno, además de las piezas a unir, se
encuentran dentro del gas de protección, por lo que se produce la soldadura.
En la Figura 8.12 se ilustra el principio por el que se produce la soldadura
T.I.G., tanto para los procesos manuales como los automáticos. En los
procesos automáticos, la alimentación del alambre se efectúa mecánicamente
a través de una guía. Cuando se llevan a cabo juntas manualmente, varía el
modo de alimentación; la varilla de material de aporte se coloca o se presiona a
lo largo de la junta y la fusión se produce con los extremos de las piezas a unir.
Todos los tipos de juntas estándares pueden ser soldadas con los procesos desoldadura con electrodo de tungsteno y, lógicamente, con la adición o no de
material de aporte.
Figura 8.12. Diagrama ilustrativo del proceso de soldadurapor arco con electrodo de tungsteno y atmósfera inerte
Usualmente, el arco eléctrico se comienza por un mecanismo que produce altovoltaje de alta frecuencia, que provoca una chispa que salta desde el electrodo
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a la pieza e inicia la corriente de soldadura. Una vez que se ha iniciado el arco,
se mueve el electrodo en círculos pequeños para desarrollar un área de metal
fundido. La varilla de relleno avanza hacia la zona de fusión, mientras los ciclos
de movimiento del electrodo se repiten con el avance a lo largo de la zona a
soldar.
Los materiales soldables mediante el proceso T.I.G. son: aceros al carbono
(muchos grados), aceros aleados, aceros inoxidables, aluminio y gran parte de
sus aleaciones, magnesio, cobre, latones y bronce, aleaciones de alta
temperatura de varios tipos, numerosas aleaciones de superficie dura, y
algunos materiales especiales tales como titanio, zirconio, oro y plata. Elproceso puede adaptarse especialmente para soldar materiales delgados,
donde los requerimientos de calidad y acabado son exigentes.
Los gases empleados en los procesos T.I.G. son: argón y helio o una mezcla
de ambos. Los materiales de relleno tienen gran variedad de aleaciones, y con
frecuencia son similares, aunque no necesariamente iguales al material base.
• Procesos de Soldadura por Arco Especializados.
Las uniones soldadas también pueden ser realizadas mediante procesos
diferentes a los que utilizan la energía producida eléctricamente como principio
fundamental. Algunos ejemplos de éstos procesos son: soldadura
oxiacetilénica, soldadura por fricción, soldadura por explosivos, etc. Sin
embargo, existen varios métodos que se fundamentan, también, en la
aplicación de la energía eléctrica, pero por principios diferentes al arco
eléctrico. Ejemplos de éstos tipos son: soldadura ultrasónica, soldadura por
resistencia eléctrica, soldadura por haz de electrones, soldadura por
electrodeposición, etc.
Igualmente, una gran cantidad de procesos que pueden ser llamados
"procesos de soldadura por arco eléctrico”, que no entran en las categorías
básicas anteriormente descritas (ver Apartados 8.2.2.1 a 8.2.2.4). En algunos
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casos, estos procesos de soldadura por arco eléctrico especializados son
modificaciones o adaptaciones de los procesos básicos. Así, el proceso de
soldadura vertical por arco con protección de gas (Electrogas Welding
Process), algunas veces es considerado como otro proceso de soldadura
diferente, como también puede ser considerado como una aplicación especial
del proceso de soldadura por arco con recubrimiento interno y protección de
gas (gas shielded flux cored arc welding process), ver Apartado 8.2.2.4.1.
Similarmente, el proceso de soldadura vertical por arco con protección de
escoria, Electroslag Welding Process, es una variación del proceso de
soldadura por arco sumergido (submerged arc welding process),.
• Proceso de Soldadura Vertical por Arco con Protección de Escoria.
E
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