5 ensayos no destructivos por ultrasonido(c3)

TECSUP – PFR Mantenimiento Predictivo
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UNIDAD V
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR ULTRASONIDO
1. INTRODUCCIÓN
Los ultrasonidos son ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas sonoras,
diferenciándose de éstas en que su campo de frecuencia se encuentra por encima
de la zona audible. En el espectro acústico se pueden distinguir las tres bandas
siguientes:
 Infrasónica
Frecuencia inferior a 16 ciclos / segundo o Hertz (Hz).
 Sónica (audible)
Frecuencias comprendidas entre 16 Hz y 20 kHz.
 Ultrasónica
Frecuencias superiores a los 20 kHz. El límite superior de frecuencia no está
definido físicamente, dependiendo en la práctica de la posibilidad de su
generación y recepción.
Como origen de este método de ensayo se puede considerar el conocido
ensayo de percusión en el que la muestra se golpea con un martillo y el sonido
emitido se percibe por el oído. Sin embargo, los primeros ensayos mediante
ultrasonidos fueron aplicados por Sokolov, en 1929, para detectar la presencia
de heterogeneidades, midiendo la caída de la intensidad acústica transmitida en
el material cuando el haz de ultrasonidos atraviesa zonas del objeto examinado
en la que existen heterogeneidades o defectos (método de transparencia).
Posteriormente (Firestone, 1942), se aplicó el principio del “sonar”, de
localización de buques y de medida de profundidades marinas, para la
detección de heterogeneidades en los materiales mediante una señal reflejada
(método de impulso-eco).
Las ondas ultrasónicas se propagan aprovechando las propiedades elásticas de
los materiales y por ello requieren de la existencia de átomos y moléculas, es
decir, a diferencia de las ondas electromagnéticas, no pueden propagarse en el
vacío.
Como los átomos distan bastante de ser esferas rígidas y elásticas, la
propagación de la onda U.S., es un fenómeno complejo que requiere de
profundos conocimientos de la física ondulatoria para comprenderlo en toda su
magnitud sin embargo, para efecto de la utilización del fenómeno ultrasónico

Mantenimiento Predictivo TECSUP – PFR
58
en la inspección de materiales, se han establecido modelos que permiten
obtener una idea clara de él. A continuación desarrollaremos los conceptos
físicos fundamentales en base a dichos modelos.
Las ondas ultrasónicas se propagan en el interior de los materiales de
diferentes formas dando origen a distintos tipos de ondas: longitudinales:
transversales, de superficie de Lamb. Ya se había dicho como los ultrasonidos
se propagan debido a la existencia de propiedades elásticas en los materiales.
Siempre que se ejerza un esfuerzo exterior sobre un material, éste se
deformará, si el esfuerzo no sobrepasa cierto límite la deformación no será
permanente sino elástica, la posición relativa de los átomos entre sí no
cambiará.
Cuando una onda ultrasónica llega a la superficie de un material deforma
elásticamente un plano de átomo, el cual, a su vez transmite dicha deformación
a los planos atómicos cercanos debido a las interacciones existentes. De esta
forma la onda ultrasónica penetra y viaja en un cuerpo determinado.
La energía presente en una onda ultrasónica crea el esfuerzo oscilatorio
necesario para producir el movimiento del primer plano el cual, se transmite a
los otros planos en el interior del material con una velocidad determinada
propia de cada material.
2. LA CADENA DE DETECCIÓN
La cadena de detección para el ensayo impulso – Eco ultrasónico puede ser
simplemente descrita como sigue:
Un sonido ultrasónico va a recorrer una línea recta a velocidad constante que
encuentre la interfase de un medio extraño. El sonido al chocar con un medio
extraño va a reflejar de vuelta a su fuente de origen para su detección y análisis.
Las frases claves son:
 Recorrido en una línea recta a velocidad constante.
 Interfase de medio extraño.
 Reflexión de fondo a la fuente de origen.
 Detección y análisis.
Cada frase juega un papel importante en la cadena de detección como sigue:
 Recorrido en una línea recta a la velocidad constante nos capacita a localizar la
falla:
Conociendo:
 El ángulo de propagación y

59
 Que el sonido recorre una línea recta la dirección del camino sónico puede ser
determinado. Ver Fig. 1.
Figura 1
Conociendo:
 El tiempo de llegada del impulso y
 La velocidad de traslación del sonido constante, la distancia del camino sónico a
la falla puede ser calculada usando la relación matemática.
Distancia = velocidad x tiempo
 o medido electrónicamente usando el tiempo base de un detector de fallas
ultrasónico.
Ver fig. 2.
BASEDETIEMPO
Figura 2
 Interfase de un medio extraño se refiere al límite entre un medio homogéneo
tal como acero dúctil y una falla tal como una inclusión de escoria o porosidad
gaseosa. La condición para la reflexión de sonido es que la impedancia del
medio del ensayo y la falla debe ser desiguales. Fig. 3.
Figura 3
Z
1
Z2
Z1 , Z2 MUY DIFERENTES
9
Distancia
Localización

60
Si la falla fue una inclusión de un material similar acústicamente al medio del
ensayo, el sonido pasa a través de la falla sin que la reflexión haya tenido lugar.
Ver fig. 4.
Figura 4
Afortunadamente defectos en estructuras metálicas son siempre acústicamente
diferentes del medio de ensayo.
Reflexión del fondo a su fuente de origen es deseable pero no siempre posible. La
trayectoria del pulso sónico debe pegar en los límites de la falla tan cerca de O°.
Fig. 5.
0 °
Figura 5
Para los poros de gases redondos e inclusiones de escoria irregulares, si la posición
de la falla es normal a la trayectoria del sonido, permitirá al pulso retornar a su
fuente de origen para ser detectada. Fig. 6.
Figura 6
Pero una falla plana lisa, puede estar unos pocos grados fuera de la incidencia Oo y
la trayectoria del sonido reflejado será redirigido fuera de la fuente de origen y
pasar sin detectarlo. Fig. 7.
Z1 Z1 = Z2

61
X
Figura 7
 Detección y análisis, por el fenómeno piezo-eléctrico el pulso ultrasónico
reflejado (energía mecánica se convierte en pulso eléctrico en la pantalla), en
un tubo de rayos catódicos. Las características del pulso mostrado son:
 Amplitud del pulso.
 Forma del pulso.
 Dinámica del pulso con movimiento de sonda.
Provee el técnico de toda la información para:
 Localizar el defecto con gran exactitud.
 Determinar las dimensiones del defecto.
 Determinar el tipo de defecto.
3. RELACIONES DE FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA
Nuestra cadena de detección comienza con la producción de un pulso sónico. El
transductor cristal ultrasónico va a oscilar por un corto período de tiempo, lo
suficiente para mandar 4 ó 5 ondas mecánicas en series conocidas como pulso.
Fig. 8.
Figura 8
Este pulso tiene:
 Velocidad (V)
 Frecuencia (F)
 Longitud de onda ().
Estos tres factores están matemáticamente relacionados como sigue:

62
F
V

La importancia de esta fórmula es la comprensión de la relación entre longitud de
onda y frecuencia.
Frecuencia:
Es una función del grosor de cristal las frecuencias típicas son:
 1 MHz
 2.25 MHz
 4.0 MHz
 5.0 MHz
 10.0 MHz
Diámetro:
Está limitado por la frecuencia que se desea como regla general los transductores
de baja frecuencia están confinados a diámetros de 0.5 “o mayor y usualmente
1.0”. Transductores de alta frecuencia están limitados a 0.5 de menor diámetro.
Esto es debido a que el diámetro y la frecuencia juegan un papel muy importante
en la física del haz y afectan.
 La longitud de la zona cercana.
 La divergencia del haz.
Para calcular la longitud de la zona cercana:
V4
f.2D
NZ 
Para calcular la “Divergencia del Haz”
f
D
V
X22.1Sen 
La longitud de la onda cercana f2D
Y la divergencia del Haz 
fV
1
La combinación de un palpador de alta frecuencia de un diámetro amplio (10
MHz, 1.0”) produce una longitud de zona cercana que es larga e impráctica. Fig. 9.

63
Figura 9
La combinación de un transductor chico (“1/ 4”) de baja frecuencia (1 a 2 MHz)
produce una divergencia de haz que es grande y no práctica. Fig. 10.
Figura 10
Las tablas siguientes 1 y 2 muestran las longitudes de la zona cercana (tabla 1) y la
divergencia del haz (tabla 2) para diferentes combinaciones de diámetro y
frecuencia.
El factor de control es la frecuencia. Una vez que determinamos la frecuencia por
la selección del transductor y la velocidad y la consideración que la velocidad es
constante, la longitud tendrá un valor.
Usando la relación  llene el espacio (con lápiz solamente).
Un aumento de frecuencia resulta en una longitud de onda por lo tanto,
la duración de pulso. Si usted empleó la palabra “más corto” o un
término equivalente, usted comprende la relación de frecuencia y
longitud de onda.
¿Por qué es importante comprender esta relación?
Siendo la frecuencia el factor del control longitudes de onda larga (1 a 2 MHz) dan:
 Pobre penetración, pero buena resolución y sensibilidad.
Área
directamente
proporcional
a la energía
del pulso
ALTA FRECUENCIA
DIAM.
PEQUEÑO ANCHO DE DIVERGENCIA
DEL HAZ
BAJA
FRECUENCIA
ANCHO

64
Aplicaciones típicas de baja frecuencia (longitud de onda larga) para el impulso-eco
de ensayo ultrasónico son:
 Lingotes.
 Barras.
 Estructuras soldadas pesadas.
Aplicaciones típicas de alta frecuencia (longitud de onda corta) son:
 Pruebas de espesor en secciones finas.
 Componentes aeronáuticos.
 Estructuras livianas soldadas.
Tabla 1
Longitud de campo cercano estándar
Diámetro 1 Mhz 2 Mhz 5 Mhz 10 Mhz
5 mm -- -- -- 11 mm
12 mm -- 12 mm 30 mm 61 mm
25 mm 26 mm 53 mm 132 mm --
V
f
X
X
4
2D
s/m5900V 
Tabla 2
Haz de Divergencia estándar
Diámetro 1 Mhz 2 Mhz 5 Mhz 10 Mhz
5 mm -- -- -- 8o
12 mm -- 17o 7o 3o
25 mm 17o 8o 3o --
f
V
X
X
D
22.1
4. COMPORTAMIENTO DEL SONIDO EN MATERIALES
Impedancia acústica (ultrasónica) y reflexiones de energía.
Otro importante parámetro en prueba de ultrasonido es la impedancia acústica de
la prueba de los materiales. Cuando un haz de sonido choca contra la superficie de
contacto entre dos materiales, no toda la energía es reflejada, pero una porción de
ella pasa al segundo material. Este argumento es verdadero excepto para la
superficie de contacto entre un sólido o un líquido y un gas, como el aire, en cuya
superficie de contacto ocurre virtualmente el 100% de la reflexión. La cantidad de
energía que pasa al otro material depende de la impedancia acústica de los dos

65
materiales. La impedancia es indicada por la letra Z y es el producto de la
densidad del material por la velocidad del sonido en el material.
Z = Dv (gr / cm2
– seg) x 10° Z = impedancia
Donde:
D = densidad en gr / cm3
del material.
V = velocidad de onda ultrasónica en el material en cm/seg.
El porcentaje del sonido incidente que es reflejado en una superficie de contacto
depende de (1) el desequilibrio de impedancia Z1 / Z2 y (2) del ángulo de
incidencia. Así la de 90°C (normal), puede ser calculada como sigue:
2)2Z1Z(
2)2Z1Z(
(Re)reflejadaEnergía



Figura 11 Formas de radiación esquemática para varios
Tamaños de Reflectores
Para ilustrar si las condiciones son favorables para encontrar la mayor cantidad de
defectos con ultrasonido, el siguiente cálculo determina la energía reflejada cuando
un haz de sonido se refleja en una superficie de contacto entre el acero y el aire:

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Densidad Velocidad Z
Del acero 7.8 gr / cm3
6,000 m / seg.
(6.0 x 105
cm / seg.)
4.68 x 106
Del aire 0.0013 gr /
cm3
330 m / seg.
(3.3 x 104
cm / seg.)
42.9




2)9.42610x68.4(
2)9.42610x68.4(
Re 1 aproximadamente
Esto significa que en esta superficie de contacto, prácticamente el 100% de la
energía de sonido es reflejada.
Una demostración adicional de reflexión, en la superficie de contacto entre el
plomo y el acero se describe en la fig. 12. Los parámetros que no son tomados en
cuenta son (a) pérdidas de acoplamiento, (b) atenuación y (c) esparcimiento del
haz.
Figura 12 Pérdidas de transmisión en una onda ultrasónica en un
Compuesto plomo-acero
Z1 = Impedancia acústica del primer material.
Z2 = Impedancia acústica del segundo material.
Wo = Energía señalada a la entrada original.
Wr = Energía reflejada.
We = Energía transmitida a través de la superficie de
contacto.
Wer = Energía transmitida, reflejada luego transmitida.
Werr = Energía transmitida, luego reflejada dos veces.
La tabla 3 de los factores aproximados para la energía reflejada entre cierto
número de materiales. Los datos tabulares indican que es posible que para una
gran inclusión de cuarzo en aluminio, esta se haga prácticamente indetectable
debido al pequeño porcentaje de sonido que choca en la superficie de contacto que

67
está siendo reflejado. Es evidente que la inclusión de ciertos materiales, dentro de
materiales base seleccionados, pueden ser fácilmente pasados por alto o mal
interpretados durante la inspección ultrasónica.
Se debe también notar que cualquier superficie de contacto agua a acero o
aluminio, tal como en una prueba de inmersión, aproximadamente el 88% del
sonido que choca al frente o a la entrada de la superficie de contacto es reflejado.
Entonces solamente el 12% de la energía de contacto es reflejado. Entonces
solamente el 12% de la energía de sonido incidente entra en la parte que es
inspeccionada.

68
Tabla 3
Energía reflejada en la superficie de contacto entre materiales disimiles

69
REPARACIÓN Y FORMA DE CONVERSIÓN
Si una onda sónica cruza oblicuamente la superficie de contacto de dos materiales
a diferente velocidad, una porción del sonido es reflejado y el resto es refractado.
Esta energía transmitida ha cambiado la dirección de propagación (refractada).
Esto es análogo a la acción de un haz de luz que pasa a un ángulo diferente a 90°,
de un material de un índice de refracción a otro material con diferente índice de
refracción. Un ejemplo familiar de este fenómeno ocurre cuando vemos un objeto
en el fondo de un lago. Este objeto no es tal como aparece debido a esta “flexión”
de la luz. El ángulo al cual el sonido es refractado es determinado por:
 Las velocidades del sonido en los dos materiales y,
 El ángulo de incidencia. Esto puede ser calculado de acuerdo a la ley de Snell
(ver fig. 13).
Figura 13 La línea de Snell. Nota: Los ángulos son medidos desde la línea
“normal”(90° a la superficie de prueba), NO desde la superficie de prueba
Se ha observado a diferencia de la luz, que una onda sónica de un tipo, como la
longitudinal, no será solamente refractada en el segundo material, sino de acuerdo
al ángulo de incidencia, será transformada parcial o completamente en ondas de
otro tipo (forma) tales como la de corte, superficiales o del tipo placa. Desde que
las ondas tienen diferentes velocidades en el mismo material, se refractarán a
diferentes ángulos. Es posible crear ondas de dos diferentes formas en el mismo
material y al mismo tiempo. La fig. 14 ilustra este fenómeno en un caso en el cual
una señal es parcialmente transformada así como refractada en una superficie de
contacto agua-metal.
Para determinar el ángulo de refracción de una forma específica de sonido en un
material es necesario sustituir la velocidad de aquel tipo de onda en la fórmula (Ley
de Snell). En otras palabras, si se desea determinar el ángulo refractado de una
onda de corte en el acero, la velocidad transversal del acero sería sustituida en la
ecuación.
Dos formas de ultrasonido a diferentes velocidades y ángulos refractados presentes
en un material al mismo tiempo harían casi imposible evaluar propiamente una

70
discontinuidad, desde que no se conocería cual forma de onda ha sido detectada.
Se aliviaría este problema si se pudiera determinar, antes de la prueba, que
solamente una forma de onda estuviera presente en la parte.
Figura 14 Diagrama esquemático del comportamiento de un haz sónico
en una superficie de contacto metal-agua.
Esto es posible si los cálculos son hechos para determinar el ángulo al cual las
ondas longitudinales serán refractadas 90° a la normal, entonces las ondas
longitudinales no se presentarán en el material. El ángulo de incidencia al cual esto
ocurre se llama “el primer ángulo crítico”. Ver fig. 15.
Figura 15 Cálculo del primer ángulo crítico
Sin 2 = Sin 90° = 1
NOTA: Usar figuras de velocidad longitudinal en este cálculo.
Raleigh2V
alLongitudin1V
Sinor
L2V
L1V
1
Sin



71
Si el ángulo de incidencia es incrementado hasta que la onda de corte sea
refractada a 90° y viajando paralelamente a la superficie de la parte, se pueden
desarrollar ondas superficiales. Esto ocurre en el segundo ángulo crítico. Ver figura
16. Esta onda es amortiguada por un objeto (dedo, etc.) o por un líquido en la
superficie metálica, entonces, no puede ser utilizada en la prueba de inmersión.
Si se desea conocer los dos ángulos límites de incidencia entre los cuales las ondas
superficiales serán creadas, usar el cálculo indicado en la fig. 16 para el ángulo
más pequeño y el cálculo abajo indicado para el ángulo más grande.
Figura 16 Cálculo del segundo ángulo crítico
Sin 2 = Sin 90° = 1
NOTA: Usar velocidad transversal para el segundo material cuando se calcule el
segundo ángulo crítico.
Esto quiere decir que a cualquier ángulo incidente entre, incluyendo estos ángulos,
las ondas superficiales pueden ser generadas.
5. MÉTODOS DE ENSAYO
La aplicación de ondas ultrasónicas para ensayo de materiales puede hacerse
según diferentes técnicas que se explicarán a continuación. La elección de una u
otra técnica dependerá de las características geométricas y estructurales, del tipo
de defecto buscado, de la accesibilidad, etc. En general, y de acuerdo al grado de
TransverseV
alLongitudinV
Sin 
RaleighV
alLongitudinV
Sin 

72
responsabilidad de los componentes, se adoptará la solución más adecuada en
función de todas las circunstancias concurrentes.
Se puede establecer una primera clasificación según el aparato del U.S., opere (ver
tabla 4).
 Método de resonancia.
 Método de transmisión.
 Método de pulso-eco.
A su vez, estos métodos se caracterizan por la magnitud medida:
 Frecuencia de resonancia.
 Intensidad acústica (I)
 Tiempo recorrido (T).
 Intensidad acústica y tiempo de recorrido (IT).
Tabla 4 Métodos de ensayo ultrasónico
Los métodos de resonancia y de pulso – eco operan por reflexión y los de
transmisión (o transparencia), ya sea por transmisión, por reflexión, por
conducción o por proyección de imagen. En la tabla 4. Se presentan además los
campos principales de aplicación de estos métodos.
5.1. MÉTODO DE RESONANCIA
Tal como se indica en la Tabla 4, éste método se basa en la medida de la
frecuencia de resonancia por reflexión (formación de ondas estacionarias)
y se emplea, primordialmente, para la medida de espesores de productos
de superficies paralelas.
Si es una muestra de superficies paralelas, de determinado espesor e, se
propaga un haz ultrasónico de excitación continua y de amplio espectro de
frecuencias, las correspondientes oscilaciones cuya semilongitud de onda

73
sea un submúltiplo del espesor de la muestra, se reforzarán por
superponerse en fase, debilitándose las restantes, dando lugar a un
fenómeno de resonancia, es decir, a la formación de ondas estacionarias.
En consecuencia, las oscilaciones características se podrán definir por el
número de semilongitudes de onda contenidas en el espesor de la muestra,
por ejemplo la oscilación característica fundamental o primera, como la
correspondiente a una semilongitud de onda por espesor
Onda incidente
Onda reflejada
Figura 17 Frecuencia fundamental y armónicos en
el ensayo por resonancia
Por su propio fundamento, no resulta adecuado para la detección de
heterogeneidades, si bien se pueden llegar a detectar discontinuidades,
tales como laminaciones en chapas. Tampoco resulta adecuado para la
medida de pérdidas de espesores por corrosión o deterioración por agentes
ambientales. Salvo en el caso de corrosión por ataque uniforme o desgaste
uniforme, ya sea que las picaduras y cavidades debidas a corrosión o
cavitación alteran la condición requerida de la superficie reflectante de la
muestra, siendo en cambio perfectamente idóneos, para este fin, los
métodos de impulso - eco descrito más adelante.
Medida de la intensidad acústica
Este método el más antiguo de los métodos de ensayo de materiales por
ultrasonido, mide la intensidad acústica de un haz ultrasónico, de excitación
continua, que atraviesa el material. En realidad, no es la intensidad
acústica lo que se mide sino la amplitud de la presión acústica cuando se
utiliza un receptor piezoeléctrico. Si las características del equipo y del
amplificador son lineales, la indicación será proporcional a la raíz cuadrada
de la intensidad. No obstante, se sigue manteniendo la designación de
método de intensidad ya que son siempre se utilizan receptores
piezoeléctricos y, además, porque algunos equipos realizan
electrónicamente la raíz cuadrada de la señal, manteniendo así proporcional
a la intensidad acústica. En realidad, se ha venido manteniendo desde

74
antigua la designación de intensidad por su analogía con la radiología
industrial.
Por su propia naturaleza, se utilizan principalmente por transmisión, es
decir, con dos palpadores, uno de los cuales actúa como emisor y el otro,
coaxialmente alineado al lado opuesto de la muestra, como receptor. En la
fig. 6.18 se presenta el esquema de un equipo basado en este principio.
Calibrado el equipo en una zona libre de heterogeneidades y considerando
la intensidad (o la presión acústica) recibida como100 si el haz es
interceptado por una heterogeneidad, la intensidad (o la presión acústica)
disminuirá proporcionalmente a la superficie del obstáculo.
Si la muestra es accesible por una sola cara, se puede adoptar la
disposición de la fig. 19 en donde se aprovecha la reflexión del haz en su
cara opuesta.
Generador
de alta
frecuencia
Emisor Receptor
Amplificador
0
0
Figura 18 Esquema de un equipo de media de intensidad (1)
Y ensayo por transmisión
Emisor Receptor
Figura 19 Ensayo de medida de intensidad (1) por reflexión
En las figuras 18 y 19 se ha representado el haz ultrasónico muy
simplificado y sin tener en cuenta los fenómenos complejos que se
producen. El esquema, a pesar de su simplicidad, conserva validez en el
caso extremo de que la longitud de onda del haz ultrasónico sea muy
pequeña comparada con el diámetro sombra. Pero, además, se pueden

75
utilizar en ensayos en las que sólo interese una de las dos magnitudes: (1)
o (1). Su versatilidad es, pues, una de sus principales ventajas.
Figura 20 Esquema simplificado de una medición de intensidad
y tiempo (IT). Método pulso – eco.
6. PALPADORES
El efecto piezoeléctrico es el más utilizado para la generación y recepción de las
ondas ultrasónicas, en su aplicación a los métodos de ensayo no destructivo, en
especial por cuanto el examen de los materiales metálicos se refiere. El efecto
magnetoestrictivo, se utiliza para la generación y recepción de ondas ultrasónicas
de frecuencia más bajas, de 25 a 100 kHz, tales como las aplicadas al ensayo de
hormigones.
Hemos visto que, las ondas longitudinales se generan mediante los osciladores
piezoeléctricos, en forma de disco, de cristales o materiales cerámicos polarizados
y vibrando en la dirección de su espesor. Esto en el caso del cuarzo, se logra en
los cristales tallados según un corte y, muestran que si tienen cristales de corte Y,
se generan transversales. Si bien, existen palpadores de esta naturaleza, no son
empleados con frecuencia en los ensayos no destructivos.
Para estos ensayos, las ondas transversales se generan, casi exclusivamente,
aprovechando los fenómenos de transformación o conversión de ondas que se
producen al incidir una onda longitudinal oblicuamente a la superficie de la muestra
a ensayar. Basándose en estos mismos principios se generan las ondas de
superficie.
Esta es la razón fundamental para que existan dos tipos básicos de palpadores:
 De incidencia normal.
 De incidencia angular.
Los palpadores, por el hecho de ser los portadores del material peizoeléctrico, que
actúa como generador y receptor de las ondas ultrasónicas y teniendo en cuenta
que de este conjunto dependen las características y cualidades del haz de

76
ultrasonidos que se propaga en el material que se examina, hace que tengan que
ser considerados como un constituyente básico del equipo de ultrasonidos.
Siendo de la mayor importancia el diseño del oscilador, no lo es menos el del resto
de los elementos que intervienen en la construcción del palpador para modificar
sus características emisoras y receptoras, para lograr que su rendimiento y eficacia
sean máximos para unas determinadas características y cualidades del haz de
ultrasonidos. Se puede afirmar que si bien el diseño del oscilador se apoya en
estudios teóricos, el del palpador responde más a resultados de carácter
experimental.
En la actualidad, existe una gran diversidad de tipos de palpadores, como
consecuencia de la gran diversidad de técnicas operatorias aplicables a los más
diversos y complejos casos de examen por ultrasonido. En este orden de ideas, se
pueden clasificar los palpadores en dos grandes grupos: palpadores de contacto y
palpadores de inmersión.
6.1. PALPADORES DE INCIDENCIA NORMAL
Se emplean en los equipos que operan por los métodos de pulso – eco, de
transparencia y de resonancia. La mayor parte de estos palpadores llevan
incorporados osciladores diseñados para emitir ondas longitudinales.
Según el número de cristales u osciladores que lleven incorporados, se
pueden considerar los siguientes tipos:
 Palpadores de cristal único, emisor y receptor, tipo E + R (figura 4.21)
 Palpadores de cristal doble, uno emisor y otro receptor, tipo E – R
(figura 4.21 y C).
 Palpadores de cristales múltiples para aplicaciones especiales.
6.1.1. Palpador normal de cristal único (tipo e + r)
La fig. 21 nos muestra el esquema de una de estos palpadores. Se
puede ver que además del cristal piezoeléctrico a), constan de una
caja o montura metálica b), que protege el conjunto, el
amortiguador del cristal c), el hilo conductor eléctrico d) y la
conexión e).
El amortiguador c) del cristal es un elemento indispensable en los
equipos que operan por el método de pulso – eco.
Sus finalidades concretas son las siguientes:
1. Reducir el tiempo de oscilación del cristal.
2. Absorber las ondas que pudieran interferir el oscilograma y
3. Soportar mecánicamente el cristal piezoeléctrico.

77
B
C
A.- Palpador normal (Tipo E + R)
B.- Palpador de doble cristal (Tipo E – R).
C.- Oscilograma del palpador (Tipo E – R).
Figura 21 Palpadores de contacto
Posiblemente, de estas tres finalidades, sea la primera la más
importante ya que la duración del impulso acústico define la
llamada zona muerta del palpador que es la de la base de tiempo
ocupada por la señal de emisión en el TRC. En esta zona muerta
no será posible detectar la presencia de heterogeneidades, puesto
que las indicaciones de los posibles ecos quedarían enmascaradas.
El contacto eléctrico se realiza, en el cuarzo y en los cristales
cerámicos, mediante una supervisión de plata metálica extendida
sobre las caras del cristal, que seca a unos 500°C y soldándose a
A
a. Cristal piezoléctrico
b. Caja o montura metálica
c. Amortiguador
d. Conductor
e. Conexión

78
continuación los electrodos con soldadura de plata. Tanto en el
caso del sulfato de litio (punto de curie: 75°C) y del titanato de
bario (punto de curie: 115-150°C), el recubrimiento se puede hacer
pintando las superficies con suspensión de plata conductora de
secado en trío mientras que los electrodos se adhieren mediante
un cemento conductor.
En los palpadores de contacto sin suela protectora, el recubrimiento
con plata no es una solución eficaz ya que se elimina fácilmente por
desgaste y rozamiento. Por este motivo, se deben emplear para
este tipo de palpadores cristales de curazo, que, dadas sus
características permiten su uso sin suela protectora; en este caso
sólo se metaliza la cara interna y la propia muestra metálica hace
de electrodo en sustitución del recubrimiento externo. Con este
tipo de palpadores se alcanza un poder de resolución más elevado
pero, para el ensayo de muestras no metálicas o con las superficies
oxidadas, es preciso utilizar un medio de acoplamiento que sea
conductor.
Cuando no se precisa de un poder de resolución máximo, como es
el caso de muchos ensayos de rutina, es preferible proteger el
cristal contra el desgaste por medio de películas o suelas
protectoras. A este fin de utilizan películas finas de plástico, cuya
resistencia al desgaste aumenta por adición de polvo de sustancias
duras y que se pegan al cristal mediante una capa fina de adhesivo.
También se emplean láminas de caucho o plástico blando, de 0,2 –
0,3 mm., de grueso, fáciles de sustituir cuando se estropean. En
este caso el espacio entre el cristal y la lámina se debe llenar el
aceite o grasa. Si embargo, actualmente, se tiende a recubrir el
cristal de una lámina muy fina de cuarzo y zafiro, muy resistentes al
desgaste, químicamente inertes y con una influencia despreciable
sobre la sensibilidad del palpador.
Un buen palpador debe poseer una buena sensibilidad para
distancias grandes y buen poder de resolución. Para conseguirlo,
primero se utilizará el palpador de diámetro y frecuencia máximos
compatibles con la atenuación del material a examinar y, a la vez,
convendrá mantener la amortiguación en valores bajos, con el fin
de que el cristal pueda detectar impulsos acústicos débiles. Ahora
bien, esta última condición se opone al segundo requerimiento, ya
que, sólo con una amortiguación elevada se puede reducir la
longitud de la zona muerta y, simultáneamente, conseguir impulsos
acústicos de corta duración. Ambas condiciones son necesarias
para el poder de resolución.

79
6.2. PALPADORES DE INCIDENCIA ANGULAR
Los palpadores angulares de contacto consisten, en esencia, en un oscilador
de ondas longitudinales aplicando a una de las caras de un prisma de
plástico (generalmente perpex), tallado con un ángulo de incidencia
adecuado al ángulo de refracción o de penetración que se desea para un
determinado material.
Los elementos de un palpador angular así como su disposición, son los que
figuran en el esquema de la figura 22.
a.- Cristal piezoeléctrico
b.- Prisma de pics
c.- Amortiguador
d.- Protector metálico o montura
e.- Conexión
Figura 22 Palpador de incidencia angular
El cristal piezoeléctrico (a) se monta sobre un prisma de plástico (b) por
intermedio de una capa muy fina de adhesiva. En general, no se utiliza
amortiguador adosado a la cara posterior del cristal, puestos que el efecto
del propio prisma de plástico suele ser suficiente para mantener los pulsos
cortos y la consiguiente buena resolución del palpador. La sustancia
amortiguadora (c) se utiliza, en estos palpadores, para evitar que las
reflexiones internas en el prisma vuelvan al cristal (método de pulso-eco).
Suele consistir en resinas a caucho vulcanizado a los que añaden cargas
apropiadas (dióxido de magneso, corcho, limaduras metálicas, etc.)., para
elevar su coeficiente de atenuación. Además, se suele recurrir a mecanizar
en diente de sierra las superficies del prisma en contacto con el
amortiguador (c), lo que constituye a la dispersión de las ondas reflejadas..
Distinguir heterogeneidades próxima entre si.
Por lo tanto, con un material piezoeléctrico dado, un palpador sólo será
óptimo con respecto a la sensibilidad o con respecto al poder de resolución,
pero nunca para ambos requisitos a la vez.

80
6.2.1. Palpadores de cristal doble (tipo e – r)
El palpador de doble cristal uno emisor y otro receptor, trata de
resolver el problema de la zona muerta que se presenta en los
palpadores de un solo cristal, que impide o dificulta la detección de
heterogeneidades próximas a la superficie de exploración. En los
palpadores sin suela protectora la zona muerta oscila entre 4 y 5
mm., (en acero) por lo cual no será posible examinar muestras de
ese espesor o menor. Si el palpador está protegido, la zona
muerta puede rebasar, dependiendo de la frecuencia, los 10
mm.
Los palpadores tipo E – R, cuyo esquema es el que aparece en la
figura 21, constan de dos cristales perfectamente aislados, eléctrica
y acústicamente por una lámina de corcho o policloruro de vinilo.
Uno de los cristales actúa solo como emisor y el otro como
receptor. Ambos cristales se montan, con una cierta inclinación,
sobre una columna de plástico que produce un cierto efecto
focalizador, de forma que concentra el haz ultrasónico para
conseguir máxima sensibilidad en las proximidades de la superficie.
Mediante este artificio se consigue que, por efecto del trayecto
previo en plástico, la indicación de la señal de emisión quede muy
separada del eco producido pro la heterogeneidad. La nueva
posición cero de la escala de distancias, queda señalada por la
indicación muy débil procedente del eco de la superficie de la
muestra.
La columna de plástico se construye a partir de un material de bajo
coeficiente de atenuación, con una impedancia acústica tal que
produzca una buena transmisión en la muestra a través del medio
de acoplamiento correspondiente. Si la diferencia de impedancia es
muy elevada, se producirá una reflexión fuerte en la superficie, lo
que dará lugar a la consiguiente pérdida de energía y reforzamiento
del eco de la interfase o superficie de exploración. Se comprueba
que la altura de la indicación del eco decrece rápidamente a ambos
lados de la distancia óptima que, para este palpador concreto se
sitúa hacia los 12 mm. La posición de la zona de máxima
sensibilidad es función primordialmente, de la inclinación de los
cristales y de la frecuencia.
Con este tipo de palpador y con equipos adecuados, es posible
medir espesores y detectar heterogeneidades a partir de una
profundidad equivalente a una longitud de onda.
Una de las grandes ventajas que presenta este tipo de palpadores
es el de poder utilizar los cristales más indicados para cada misión;
por ejemplo, el titanato de bario como emisor y el sulfato de litio
como receptor. Es evidente que está solución exigiría que las

81
conexiones, palpador-equipo, de ambos cristales no fuesen
intercambiables con objeto de evitar la posibilidad de error.
En los ensayos a altos niveles de ganancia., las perturbaciones
provocadas por estas reflexiones pueden no llegar a eliminarse
totalmente, especialmente pueden no llegar a eliminarse
totalmente, especialmente cuando existan ondas que vuelvan
directamente al cristal como consecuencia de la rugosidad de la
superficie de exploración.
El conjunto va montando en un protector metálico (d), provisto de
la correspondiente conexión (e)
A partir de la ley de Snell, se puede deducir que si ....... V1  V2
como también VT1  VT2 , existe un ángulo de incidencia límite por
encima del cual dejan de coexistir modos de onda en el medio 2,
quedando sólo la onda transversal. De otra parte, conociendo los
valores de las velocidades acústicas en cada uno de los materiales y
el modo de onda existente en cada uno, es posible calcular los
valores de estos ángulos de incidencia.
Refiriéndose al caso que nos interesa o al menos resulta más
interesante desde el punto de vista de su aplicación al examen de
uniones soldadas, será preciso tener en cuenta la superficie límite
soldadas perpex. Acero y perpex-aluminio, al objeto de encontrar
los valores de los ángulos límites para los cuales se propagarán
ondas transversales en estos materiales. De acuerdo con los
valores que se dan en la tabla 6.1 y teniendo en cuenta las leyes
de la reflexión, encontramos que los prismas de perpex para la
propagación de ondas transversales deben tener, ángulos de
incidencia comprendidos entre 27.6 y 57.8° para el acero y entre
25.6 y 61° para el aluminio. Los palpadores de contacto
comerciales, están diseñados, generalmente, para aceros; por lo
que, para el examen de otros materiales, será preciso hacer las
correspondientes correcciones en función de las diferentes
velocidades de propagación de las ondas transversales.
Como el ángulo de emisión de 27.6°, se refiere a un haz muy
estrecho, se elige un ángulo algo mayor para que, bajo ningún
concepto se pueda producir una onda longitudinal en el material
que se examina. El ángulo mínimo de refracción de la onda
transversal que se toma es el de 35°. Por otra parte, el ángulo
límite de refracción no se halla efectivamente en los 90°, sino ya en
los 80°, por lo que en ángulos superiores a este valor aparecen las
ondas superficiales.
Teniendo en cuenta los límites anteriores mencionados, los
palpadores para la emisión del haz bajo ángulo, únicamente se
construyen para ángulo de refracción comprendidos entre los 35° y
80°. Los palpadores angulares más corrientes, refiriéndonos

82
siempre al acero, se construyen para ángulos de refracción de 35°,
45°, 60° y 70°. A estos ángulos se les suele llamar ángulos de
entrada.
7. CALIBRACIÓN DEL SISTEMA
A los fines de que la información que se obtiene mediante el ensayo ultrasónico sea
comprable y repetitiva es necesario calibrar y fijar las condiciones de
funcionamiento y sensibilidad del sistema de ensayo que se emplea.
Un sistema de ensayo ultrasónico está compuesto por un número de componentes
cuyo comportamiento debe ser evaluado en su funcionamiento conjunto. Estos
componentes son:
 Aparato electrónico o “equipo de ultrasonidos” que genera, recibe y representa
las señales eléctricas correspondientes a las ondas ultrasónicas del ensayo.
Debe ser identificadas por su marca, modelo y número de serie.
 Palpador de ultrasonidos, que genera y recibe las ondas ultrasónicas. Debe ser
identificado por su tamaño, tipo, clase de cristal piezoeléctrico, frecuencia y
técnica de ensayo a que está destinado (contacto o inmersión).
 Cables de interconexión, incluido si corresponde impedancias de acoplamiento.
 Elementos auxiliares tales como: tanque para ensayo por inmersión,
manipuladora para el barrido de la pieza a examinar, medio de acoplamiento
para ensayo por contacto.
Al efectuarse los ensayos se debe tener la seguridad de que el equipo utilizado
(instrumento electrónico y sonda ultrasónica) está operando en condiciones de
sensibilidad determinadas y reproducibles de manera tal que las informaciones
obtenidas (altura y posición de ecos) puedan ser directamente comparables. Estos
es particularmente importante luego de efectuar reparaciones en el equipo
electrónico (ajustes, reemplazo de válvulas, etc.,) o cuando durante la inspección,
se debe cambiar de equipo o se usan varios de ellos en distintos lugares.
Es además importante tener la posibilidad de hacer verificaciones periódicas de las
condiciones de funcionamiento del equipo en el lugar de trabajo para asegurarse
que se sensibilidad no ha variado o no es afectada por alteraciones en la tensión de
alimentación, por variaciones en la emisión de las válvulas por desgaste o
modificaciones de montaje del cristal del palpador. Verificar también el
mantenimiento de la linealidad de la base de tiempo del equipo electrónico.
Finalmente puede ser necesario controlar el ángulo y posición de salida del haz
ultrasónico en sondas angulares.
Se debe tener presente que estas calibraciones se hacen para obtener referencias
en la operación del equipo y permitir comparaciones de sensibilidades relativas
pero que nunca deben ser utilizadas como elemento de juicio para evaluación de
defectos en forma absoluta.

83
Figura 23 Bloques normalizados ISS/IIW (V1)

84
Figura 24 Bloque normalizado ISS/IIW (V2)

85
7.1. SENSIBILIDAD DEL PALPADOR
La sensibilidad de un cristal piezoeléctrico es su mayor o menor capacidad
(o eficacia) para transformar energía ultrasónica en energía eléctrica (o
viceversa). Una mayor transformación presupone una mayor eficacia y por
lo tanto, una sensibilidad más elevada. A través de medidas con el bloque-
patrón se pueden comparar la sensibilidad entre diversos palpadores.
Verificación de la sensibilidad de trabajo: Esta verificación se realiza a fin de
obtener datos de referencia que permitan comprobar, mediante las
posteriores verificaciones, si se mantiene la sensibilidad de trabajo del
equipo durante el transcurso de los ensayos. No debe utilizarse para la
evaluación de sensibilidad de indicación por cuanto esta última no puede
ser verificada mediante el uso del bloque en consideración.
El procedimiento de ajuste depende de que se deba trabajar con alta o con
baja ganancia:
Verificación con alta ganancia:
 Fijar la sonda en la posición indicada sin ejercer presión excesiva y
usando líquido acoplante adecuado.
 Calibrar la escala en el rango de 200 mm.
 Hacer coincidir el primer eco con la división 50 mm., ya que el espesor
de plástico equivale a dicha distancia en acero.
 Registrar el número de ecos, la altura del último de ellos visible en la
pantalla y la ganancia de trabajo.
Verificación con baja ganancia.
 Fijar la sonda en la posición indicada.
 Desplazar el cabezal hacia arriba y hacia abajo basta conseguir la
máxima altura en el eco proveniente del agujero de 1,5 mm.
 Ajustar la ganancia al valor requerido.
 Registrar los datos correspondientes a la altura del eco y la ganancia de
trabajo.
7.2. PODER DE RESOLUCIÓN DEL PALPADOR
Al dirigir un haz ultrasónico sobre una superficie escalonado (ver fig. 26)
resultarán dos reflexiones simultáneas y separados solamente por una
distancia muy pequeña que corresponde a la diferencia de espesor
originada por los escalones. Se da el caso que puede aparecer un eco
bastante confuso sin poderse apreciar aquella diferencia (a) pero utilizamos
otra palpador distinto podremos obtener una imagen más destacada (b) en
que aparecen claramente los dos ecos. Decimos entonces que el segundo
palpador tiene mejor resolución que el primero.

86
a)
Figura 25 Verificación de sensibilidad con sonda normal
a) Con alta ganancia.
b) Con baja ganancia.
Figura 26 Poder de resolución de un palpador
Estimación del poder de resolución:
 Ubicar la escala en el rango calibrado de 200 mm.
 Fijar la sonda en la posición de la Fig. 27.
 En la posición indicada se obtendrán en la pantalla del instrumento los
ecos correspondientes: al espesor de 100 mm., parte más ancha del
bloque, el espesor de 85 corresponde a la ranura y al espesor de 91
mm., corresponde al rebaje.

87
 Se ajusta la altura del mayor de los ecos de manera que alcance los 2/3
de la altura de la pantalla, actuando sobre el control de la ganancia y se
observa la apariencia comparándolos con los esquemas de la fig. 27.
 De acuerdo a la comparación efectuada la resolución debe ser calificada
como: buena, aceptable o pobre.
Figura 27 Estimulación de resolución con sonda normal
7.3. VERIFICACIÓN DE UN TRANSDUCTOR ANGULAR
En primer lugar se requiere conocer perfectamente el punto de salida del
haz así como también el ángulo de entrada (ángulo de refracción, al incidir
sobre la superficie del material) y para ello recurrimos una vez más a la
pieza patrón (ver fig. 28).
Figura 28 Determinación del punto de salida del haz de U.S.

88
Situado el palpador en la posición L dirigimos el haz hacia el sector hasta
obtener la máxima amplitud del eco (a): en ese momento la situación del
verdadero punto de salida del haz (índice) se corresponde con el punto 0 de
la pieza patrón. Para conocer el ángulo de refracción debe colocarse el
palpador, según ángulo de refracción del mismo, en las posiciones
señaladas en la pieza patrón: M1 a M5, dirigiendo el haz hacia el centro del
círculo de material plástico hasta obtener la máxima amplitud de señal igual
que hicimos anteriormente. La raya que indica el punto de salida debe
corresponderse con el valor del ángulo marcada. De no ser así se recurre a
una interpolación.

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