La evolución de las pruebas ultrasónicas (UT) desde la UT convencional al método de enfoque total

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La prueba ultrasónica es una de las muchas técnicas no destructivas utilizadas para la inspección de componentes. Se utiliza en muchas industrias, incluidas la construcción de acero y aluminio, la metalurgia, la manufactura, la aeroespacial, la automoción y otros sectores del transporte. La técnica ofrece muchas ventajas, incluida la facilidad de uso, la velocidad, la penetración, la precisión y la sensibilidad. A lo largo de los años, la tecnología ha mejorado espectacular y continuamente, y ahora ofrece una potencia de imagen avanzada con alta resolución.

Las pruebas ultrasónicas, o UT, se realizan enviando un pulso eléctrico a un transductor constituido por uno o varios cristales piezoeléctricos. Los cristales convierten la energía eléctrica en vibraciones mecánicas enviadas al componente a través de un medio de acoplamiento. La onda acústica interactúa con todas las discontinuidades dentro del componente (defectos, geometría, etc.) y regresa al transductor donde las vibraciones se convierten nuevamente en una señal eléctrica. Luego, los datos se pueden mostrar en varias vistas diferentes, como A-scan, B-scan, C-scan o T-scan, y cada una proporciona una forma diferente de ver los datos de inspección.

Cuando comenzaron las pruebas ultrasónicas, los instrumentos ultrasónicos dependían completamente de transductores de un solo elemento para los cuales un cristal piezoeléctrico genera y recibe ultrasonidos. La técnica se amplió a transductores de doble elemento que tienen dos cristales, uno emisor y otro receptor.

Dependiendo del tipo de inspecciones, las mediciones generalmente se realizan con una incidencia normal (medición de espesores, mapeo de corrosión) o utilizando un haz angular (inspección de soldadura). Las inspecciones de incidencia normal se pueden realizar con el transductor directamente en contacto con la pieza de prueba o usando una línea de retardo (inmersión o cuña L0) para ayudar a proteger la cara frontal del transductor; Esto es especialmente útil al escanear el transductor a lo largo de la superficie del componente. Las inspecciones con haz angular se realizan modificando el ángulo de incidencia del transductor ya sea en inmersión o con cuña. Los operadores pueden elegir el ángulo de propagación dentro del material utilizando la ley de Snell, que describe la relación entre los ángulos incidente y refractado en función de la velocidad ultrasónica (ya sea ondas longitudinales o de corte) dentro del componente y la cuña.

Dado que sólo se utiliza uno (o dos) cristales piezoeléctricos, la sensibilidad y resolución de la inspección dependen en gran medida de la elección de las características del transductor. La sensibilidad es la capacidad de detectar pequeñas indicaciones, mientras que la resolución (axial y lateral) es la capacidad de discernir dos indicaciones separadas y cercanas entre sí. Ambos dependen de la forma del haz, principalmente del tamaño, respecto al tamaño de las indicaciones y las características de la señal eléctrica enviada al elemento piezoeléctrico.

La resolución axial se puede mejorar aumentando la frecuencia central (longitud de onda más pequeña) y amortiguando el transductor. Sin embargo, las frecuencias más altas generalmente se asocian con una mayor atenuación dentro de la cuña y la pieza de prueba, y una amortiguación excesiva conduce a pérdidas de amplitud, lo que conduce a una menor sensibilidad.

La resolución lateral es alta cuando el ancho del haz es estrecho. Normalmente, el ancho del haz es igual al ancho del transductor cerca del transductor. Luego, el haz converge a su ancho más estrecho a una distancia llamada límite del campo cercano. Finalmente, el haz diverge en una zona llamada campo lejano. La distancia del campo cercano y la dispersión del haz en el campo lejano dependen de las dimensiones y la frecuencia central del transductor. La resolución lateral se puede mejorar utilizando transductores enfocados, es decir, transductores con un cristal piezoeléctrico con forma esférica o cilíndrica. Si bien se mejora la resolución lateral, la profundidad de campo disminuye.

En la mayoría de los casos, los operadores tienen que llegar a un equilibrio entre sensibilidad y resolución y elegir transductores en función de la detectabilidad esperada y la capacidad de tamaño requerida por los estándares.

A veces, es necesario utilizar varios transductores para una inspección, como el examen de soldadura, ya que la sensibilidad varía según la naturaleza de los defectos. Por ejemplo, una soldadura en V de 60° requeriría el uso de un transductor SW60 para buscar defectos, como falta de fusión, a lo largo del chaflán del mismo lado que el transductor. Se utilizaría un SW45 para buscar grietas en la raíz y en la base, ya que las ondas de corte de 45° no conducen a conversiones de modo al inspeccionar defectos verticales. También se podría utilizar un SW70° para buscar defectos ubicados en el lado opuesto del transductor.

A pesar de su falta de flexibilidad, la UT convencional sigue siendo la principal técnica ultrasónica utilizada hoy en día, ya que ofrece una solución rentable para la detección de defectos y la medición de espesores.

La tecnología de matriz en fase comenzó en el dominio de la radiofrecuencia aplicando cambios de fase o retrasos a una matriz de antenas. Esto dio la posibilidad de dirigir la energía electromagnética sin tener que mover la antena. Phased-array pasó al mundo ultrasónico primero en el mundo médico en los años 1960 y luego a la comunidad de END en los años 1980.

El principio de ultrasonidos Phased-Array consiste en disparar los elementos del conjunto de tal manera que los frentes de onda generados por cada elemento interfieran de manera constructiva o destructiva de maneras predecibles que dirigen y dan forma de manera efectiva al haz de sonido. Este proceso, denominado cálculo de la ley de retardo, se realiza aplicando un retardo de tiempo a cada uno de los elementos del conjunto tanto en transmisión como en recepción. Hay tres tipos principales de leyes de demora.

En las siguientes figuras se presentan los cálculos del campo del haz para estas tres leyes de retardo. Es posible combinarlos para generar haces acústicos aún más complejos.

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Cuando se trata de inspección PAUT, un aspecto importante es el diseño de la sonda. Como se mencionó anteriormente, una sonda PAUT se compone de varios elementos que pueden disponerse de diversas formas. Las sondas PAUT más comunes son lineales (1D), matricial (2D), anular (1D) y sectorial (2D). Las sondas 1D PAUT solo pueden manipular el haz acústico en un plano, mientras que las matrices 2D pueden dirigir la energía acústica en todo el volumen del componente.

Al diseñar la sonda, es importante tener en cuenta algunas reglas.

El diseño de una sonda PAUT es, por tanto, un compromiso entre el coste, las limitaciones del sistema electrónico en términos de muchos elementos que puede controlar, la sensibilidad y la resolución deseadas.

Varias industrias se han beneficiado de las numerosas ventajas que ofrece la tecnología PAUT sobre la UT convencional.

PAUT ha sido muy aceptado como sustituto de las inspecciones radiográficas. El equipo PAUT moderno, sencillo y portátil ha acelerado aún más la aceptación de las inspecciones PAUT.

La técnica del método de enfoque total puede proporcionar mayor claridad y precisión en comparación con la prueba PAUT. Es una técnica de inspección que utiliza sondas PAUT estándar pero, en lugar de realizar leyes de retardo típicas (escaneo lineal, de enfoque o sectorial), enfoca la energía acústica en cada píxel de una región de interés (ROI). Esto proporciona una resolución espacial óptima dentro de esa región que puede ayudar a los técnicos a identificar pequeños defectos en inspecciones desafiantes.

La técnica se compone de dos pasos: la parte de adquisición de datos llamada captura de matriz completa y la reconstrucción llamada método de enfoque total. FMC/TFM normalmente se realizaba en posprocesamiento, pero los desarrollos recientes en equipos ultrasónicos han permitido inspecciones en tiempo real a velocidades de escaneo cercanas a PAUT.

Por lo general, cuando se hace referencia a FMC, se hace referencia al FMC elemental para el cual todos los pares de transmisores/receptores en la matriz se digitalizan y guardan por separado. Esto significa que las indicaciones potenciales se ven desde todos los ángulos posibles, ya que el conjunto de datos FMC contiene toda la información acústica entre cada elemento de la sonda y esa indicación.

El algoritmo TFM consiste en sumar coherentemente amplitudes del conjunto de datos FMC en cada píxel del ROI. Cuando hay un defecto, cada señal del FMC contiene un poco de información sobre ese defecto. Al sumar las distintas contribuciones, la imagen TFM mostrará píxeles de gran amplitud. Por el contrario, para áreas del ROI sin defectos, la suma de las diversas contribuciones conduce a la suma del ruido y, por tanto, a píxeles con una amplitud excepcionalmente baja.

Las principales ventajas del TFM frente al PAUT son:

Normalmente, las desventajas pueden ser:

Para superar estas desventajas, son posibles otros esquemas de adquisición de FMC, como Plane Wave Imaging (PWI). PWI consiste en generar un escaneo sectorial utilizando todos los elementos del array para transmisión mientras que la recepción consiste en escuchar con todos los elementos individualmente. Las ventajas sobre el FMC elemental son:

La adopción de la técnica se ha facilitado con la publicación de las normas ASME V e ISO 23864 y 23865 revisadas. La descripción de la técnica, los estándares del equipo, la calificación del personal y los estándares de aplicación se describen en detalle, lo que permite a los operadores preparar sus procedimientos con cuidado.

Las siguientes imágenes muestran un ejemplo de inspecciones TFM. El de arriba muestra la detección de ataque de hidrógeno a alta temperatura (HTHA), mientras que el de abajo es una inspección de soldadura utilizando una configuración multigrupo con un TFM en cada lado de la soldadura.

Ejemplos de inspección TFM | Fuente de la imagen: Tecnologías Eddyfi

Durante una inspección TFM, el técnico de END puede optar por observar los datos utilizando diferentes modos de reconstrucción. Los modos son diferentes tipos de posibles trayectorias del sonido ultrasónico para ir desde los elementos del conjunto hasta los distintos píxeles de la imagen TFM. ASME enumera modos directos (LL, TT…), modos de esquina (L-LL, L-TT…) y modos indirectos (LL-LL, TT-TT…), donde “L” significa onda longitudinal, “T” significa transversal, y el “-” indica un reflejo en una de las superficies de la pieza de prueba.

Los modos de esquina e indirecto tienden a favorecer la reflexión especular, lo que genera señales de mayor amplitud. Básicamente, la colocación correcta de la sonda conduce a una trayectoria acústica casi normal a los defectos planos. Al combinar varios modos, TFM ofrece una sensibilidad y capacidades de imagen mejoradas nunca antes vistas.

Las pruebas ultrasónicas han evolucionado dramáticamente a lo largo de los años, pasando de una señal de escaneo A para que el técnico la interprete a imágenes 3D de alta resolución superpuestas a la geometría del componente. Los rápidos avances en instrumentación han proporcionado a los técnicos instrumentos más pequeños y resistentes con mayores capacidades. El objetivo es proporcionar un aumento no sólo en la detección sino también en la caracterización y dimensionamiento de defectos con alta confiabilidad y lo más rápido posible para minimizar el tiempo de inactividad. A medida que la tecnología continúa avanzando, las pruebas ultrasónicas también avanzan.

Frederic Reverdy , ingeniero senior de aplicaciones y productos, Eddyfi Technologies, Les Ulis, Francia. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected].