FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL …

Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MATERIALES

“ESTUDIO DEL CONTROL DE CALIDAD EN UNIONES DE RIELES DE

GRÚA TIPO A100 SOLDADAS POR PROCESO ALUMINOTÉRMICO

CON ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS DE ULTRASONIDO INDUSTRIAL

Y PARTÍCULAS MAGNÉTICAS FLUORESCENTES”

TESIS PRESENTADA POR:

ANTONY ARTURO RIVEROS BECERRA

DANIEL ANDRÉ LUQUE GARCÍA

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL

DE ING. DE MATERIALES

AREQUIPA-PERÚ

SEPTIEMBRE 2015


RESUMEN

Con el pasar de los años el hombre ha desarrollado la necesidad de unir materiales entre sí para garantizar una continuidad entre ellos, uno de los métodos dedicados exclusivamente a esta función es la soldadura, pero es requerido que este proceso pase por un riguroso control de calidad para asegurar que las uniones cumplan las funciones para las cuales fueron diseñadas y garantizar su durabilidad. La importancia del control de calidad se desprende de la responsabilidad de los equipos y construcciones que actualmente se fabrican por soldadura, los cuales, en determinadas condiciones de fallo, afectan seria y directamente a la seguridad pública.

El convencimiento de la importancia de un adecuado control de calidad en conjuntos soldados, ha sido la causa de que, en todos los países industrializados, se hayan publicado normas, códigos y especificaciones relativos a su construcción e inspección.

Establecer un correcto control de calidad va de la mano con la aplicación de métodos de inspección no destructivos que deben realizarse evaluando los resultados en relación con las exigencias establecidas en códigos o normas aplicables al producto examinado y son en muchos casos, estos mismos documentos, los que a priori permiten ciertas anomalías o desviaciones respecto al ideal de obtener cero defectos, lo cual no es prácticamente imposible, pero tampoco es normalmente exigido.

Establecer un orden de inspección para mejorar el nivel del control de calidad en las uniones soldadas por proceso aluminotérmico es lo que el presente trabajo propone, además de elaborar y definir procedimientos de inspección para Ensayos No Destructivos de Partículas Magnéticas Fluorescentes y Ultrasonido Industrial.

El objetivo de este orden de inspección es el determinar el grado de fiabilidad del conjunto inspeccionado. Es decir, conocer si lo inspeccionado va a poder ser utilizado en las condiciones para las que fue diseñado.

Al mismo tiempo los métodos de inspección empleados suelen tener una capacidad limitada para detectar estos defectos o discontinuidades, aparte de que la tecnología, en este campo, continua investigando nuevas técnicas que evolucionan con rapidez, intentado llegar a encontrar los mejores métodos que puedan determinar, sin error, los distintos fallos posibles de las uniones soldadas.

A la vista de lo anterior es posible establecer unas reglas generales que permitan al inspector llevar a cabo su labor, junto con unas instrucciones concretas relacionadas con un determinado trabajo. Las reglas generales es lo que se pretende exponer en el presente trabajo.


DEDICATORIA

A mis madres Maribel Becerra Bedregal y Alejandrina Bedregal Valencia, por su perseverancia y constancia, por sus valores y esfuerzo diario, por su apoyo incondicional, “ LAS AMO”.

Antony A. Riveros Becerra

Aunque estés lejos de mí, siempre estarás en mi mente. Nunca serás mi pasado y siempre serás mi presente. Gracias por ser mi padre, mi ejemplo, mi guía; el esfuerzo puesto en este trabajo y en cada día de mi vida es para ti Ing. Julio Daniel Luque Valdivia.

Tu hijo Daniel André Luque García.


INDICE

CAPITULO I 1

MARCO METODOLÓGICO 1

1.1. INTRODUCCIÓN 1

1.2. ANTECEDENTES 2

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 5

1.4 HIPÓTESIS 5

1.5 OBJETIVOS 6

1.5.1 OBJETIVO GENERAL 6

1.5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 6

1.6 JUSTIFICACIÓN 6

CAPITULO II: 7

MARCO CONCEPTUAL 7

2.1. INTRODUCCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE SOLDEO 7

2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDEO 7

2.3. SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA (TW) 8

2.3.1. SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA PARA UNIONES DE RIELES 9

2.3.2. REACCIONES ALUMINOTÉRMICAS 12

2.4. INSPECCIÓN DE SOLDADURAS EN RIELES 13

2.4.1. DEFECTOS DE SOLDADURA 15

2.4.2. MÉTODOS DE INSPECCIÓN 17

2.5. INTRODUCCIÓN A LA SOLDABILIDAD 22

2.5.1. CARBONO EQUIVALENTE 26

2.6. METALURGIA DE LA SOLDADURA 34

2.7. IMPERFECCIONES EN UNIONES SOLDADAS 45

2.7.1. GRIETAS 47


2.7.2. CAVIDADES 49

2.7.3. INCLUSIONES SOLIDAS 51

2.7.4. FALTA DE FUSION Y DE PENETRACION 53

2.7.4.1. FALTA DE FUSION 53

2.7.4.2. FALTA DE PENETRACION 54

2.7.5. IMPERFECCIONES DE FORMA Y DIMENSION 55

2.7.5.1. MORDEDURA 55

2.7.5.2. SOLAPAMIENTO 56

2.7.5.3. SOBREESPESOR EXCESIVO 56

2.7.5.4. EXCESO DE PENETRACION 57

2.7.5.5. ANGULO DE ACUERDO INCORRECTO 58

2.7.5.6. FALTA DE ALINEACION O DEFORMACION ANGULAR 58

2.7.5.7. FALTA DE METAL DE SOLDADURA 59

2.7.5.8. PERFORACIÓN 60

2.7.5.9. RECHUPE 60

2.7.5.10. EXCESO DE ASIMETRIA EN LA SOLDADURA EN ÁNGULO 60

2.7.5.11. ANCHURA IRREGULAR Y SUPERFICIE IRREGULAR 61

2.7.5.12. EMPALME DEFECTUOSO 61

2.7.6. OTRAS IMPERFECCIONES 61

2.7.6.1. CEBADO DE ARCO 61

2.7.6.2. SALPICADURAS O PROYECCIONES 62

2.7.6.3. DESGARRE LOCAL 62

2.7.6.4. MARCA DE AMOLADO O BURILADO 62

2.7.6.5. AMOLADO EXCESIVO 62

2.7.7. CONCECUENCIAS DE LAS IMPERFECCIONES EN LAS SOLDADURAS

62

2.7.8. DISCONTINUIDADES TIPICAS EN BASE AL PROCESO DE

SOLDADURA POR ARCO EN ORDEN DECRECIENTE DE OCURRENCIA

63

2.7.8.1. PROCESO SMAW (Shielded Metal Arc Welding) 63

2.7.8.2. PROCESO SAW (Submerged Arc Welding) 63


2.7.8.3. PROCESO GMAW (Gas Metal Arc Welding) 63

2.7.8.4. PROCESO GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) 64

2.7.8.5. PROCESO FCAW (Flux – Cored Arc Welding) 64

2.8. CONTROL DE CALIDAD EN LAS CONSTRUCCIONES SOLDADAS 64

2.8.1. DEFINICION E IMPORTANCIA DE LA INSPECCION DE LAS

CONSTRUCCIONES SOLDADAS 64

2.8.2. CONTROL DE CALIDAD DE LAS UNIONES SOLDADAS 65

2.9. INSPECCIÓN DE SOLDADURAS 66

2.9.1. INSPECTOR DE SOLDADURA 66

2.9.2. RESPONSABILIDADES DEL INSPECTOR DE SOLDADURAS: 70

2.10. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 74

2.10.1. DEFINICIÓN DE LAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS 75

2.10.2. TÉCNICAS DE INSPECCIÓN VOLUMÉTRICA 76

2.10.3. APLICACIONES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 76

2.10.4. VENTAJAS DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 77

2.10.5. LIMITACIONES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 77

2.10.6. BENEFICIOS DEL EMPLEO DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

78

2.10.7. SELECCIÓN DEL ENSAYO NO DESTRUCTIVO ADECUADO 79

2.10.8. TÉCNICAS DE INSPECCIÓN SUPERFICIAL 80

2.10.9. INSPECCIÓN VISUAL 81

2.10.9.1. REQUISITOS DE LA INSPECCIÓN VISUAL 81

2.10.9.2. HERRAMIENTAS PARA LA INSPECCIÓN VISUAL 82

2.10.9.3. VENTAJAS DE LA INSPECCIÓN VISUAL 84

2.10.9.4. LIMITACIONES DE LA INSPECCIÓN VISUAL 85

2.10.10. LÍQUIDOS PENETRANTES 85

2.10.10.1. REQUISITOS DE LA INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES

86

2.10.10.2. SECUENCIA DE LA INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES

87

2.10.10.3. APLICACIONES DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES 89


2.10.10.4. VENTAJAS DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES 90

2.10.10.5. LIMITACIONES DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES 90

2.10.11. PARTÍCULAS MAGNÉTICAS 91

2.10.11.1. LIMITACIONES Y VENTAJAS DEL MÉTODO 92

2.10.11.2. BASES DE LA INSPECCIÓN ELECTROMAGNÉTICA POR

PARTICULAS MAGNETICAS 95

2.10.11.2.1. MATERIALES MAGNÉTICOS: MAGNETISMO 95

2.10.11.2.2. TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS 97

2.10.11.2.3. TIPOS DE YUGOS 102

2.10.11.3. INSPECCIÓN DE ESFERAS DE ACERO 113

2.10.11.4. INTENSIDAD DE LA CORRIENTE APLICADA 114

2.10.11.5. MEDIO DE EXAMINACION O PARTICULAS MAGNETICAS 114

2.10.11.6. TIPOS DE PARTICULAS 115

2.10.12. TÉCNICAS DE INSPECCIÓN VOLUMÉTRICAS 118

2.10.13. RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL 118

2.10.13.1. REQUISITOS Y SECUENCIA DE LA INSPECCIÓN POR

RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL 119

2.10.13.2. VENTAJAS DE LA RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL 121

2.10.13.3. LIMITACIONES DE LA RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL 121

2.10.14. ULTRASONIDO INDUSTRIAL 122

2.10.14.1. FÍSICA DEL ULTRASONIDO 125

2.10.14.1.1. ONDAS MECÁNICAS 125

2.10.14.1.2. PROPAGACIÓN DE ONDAS MECÁNICAS 128

2.10.14.1.3. LA VELOCIDAD DEL SONIDO 130

2.10.14.1.4. IMPEDANCIA ACÚSTICA 132

2.10.14.1.5. COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN Y REFLEXIÓN 133

2.10.14.1.6. REFRACCIÓN Y LEY DE SNELL 134

2.10.14.1.7. CONVERSIÓN DE MODO 136

2.10.14.1.8. ÁNGULOS CRÍTICOS 137

2.10.14.1.9. ATENUACIÓN 139

2.10.14.2. TRANSDUCTORES ULTRASÓNICOS 141


2.10.14.2.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES 143

2.10.14.2.2. EFICIENCIA DEL TRANSDUCTOR, ANCHO DE BANDA Y

FRECUENCIA 144

2.10.14.2.3. CARACTERÍSTICAS DEL HAZ ULTRASÓNICO 147

2.10.14.2.4. DIVERGENCIA DEL HAZ ULTRASÓNICO 148

2.10.14.2.5. TIPOS DE TRANSDUCTORES 150

2.10.14.3. EQUIPOS ULTRASÓNICOS 154

2.10.14.3.1. MEDIDORES DE ESPESORES 155

2.10.14.3.2. DETECTORES DE FALLAS 158

2.10.14.3.3. OTROS EQUIPOS Y SISTEMAS 160

2.10.14.4. TÉCNICAS DE INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO 162

2.10.14.4.1. ACOPLANTE 162

2.10.14.4.2. INSPECCIÓN CON HAZ RECTO 163

2.10.14.4.3. CALIBRACIÓN CON HAZ RECTO 165

2.10.14.4.4. DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES 170

2.10.14.4.5. INSPECCIÓN CON HAZ ANGULAR 174

2.10.14.4.6. UBICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES CON HAZ

ANGULAR 177

2.10.14.4.7. CALIBRACIÓN CON HAZ ANGULAR 180

2.10.14.4.8. INSPECCIÓN CON ARREGLO DE FASES 183

2.10.14.4.9. CALIBRACIÓN CON ARREGLO DE FASES 186

2.10.15. MÉTODOS DE EVALUACIÓN POR ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

189

2.10.15.1. CÓDIGOS, NORMAS Y ESPECIFICACIONES 190

2.10.15.2. PROCEDIMIENTOS DE INSPECCIÓN 193

2.10.15.3. REPORTE DE RESULTADOS 195

2.10.15.4. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN 196

CAPITULO III 197

PARTE EXPERIMENTAL 197


3.1. REVISIÓN DE LA DOCUMENTACIÓN DEL PROCESO DE SOLDEO

ALUMINOTÉRMICO EN CAMPO 197

3.2. ELABORACIÓN Y CALIFICACIÓN PROCEDIMIENTOS DE INSPECCIÓN

198

3.2.1. PROCEDIMIENTO DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS FLUORESCENTES

198

3.2.2. PROCEDIMIENTO DE ULTRASONIDO INDUSTRIAL 203

3.2.2.1. EQUIPAMIENTO A UTILIZAR PARA EL ENSAYO 207

3.2.2.2. CALIBRACIÓN DEL EQUIPO 209

3.2.2.3. CALIBRACIÓN DE LA VELOCIDAD 210

3.2.2.4. CALIBRACIÓN DEL RETARDO DE LA ZAPATA 212

3.2.2.5. CALIBRACIÓN DE SENSIBILIDAD 212

3.2.2.6. ENSAYO DE PROBETA “PATRON” 214

3.3. PROCEDIMIENTO DE SOLDEO EN CAMPO 215

3.3.1. PREPARACIÓN DE LA JUNTA 216

3.3.2. ALINEAMIENTO DE RIELES 216

3.3.3. COLOCACIÓN DEL MOLDE 217

3.3.4. PRECALENTAMIENTO 220

3.3.5. PREPARACIÓN DEL CRISOL 222

3.3.6. SOLDADURA 223

3.3.7. ACABADO DE RIEL 225

3.3.8. ENSAYOS 226

3.4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA 227

3.5. CALIFICACIÓN DE LOS SOLDADORES SEGÚN PROCEDIMIENTO

CALIFICADO 227

3.6. INSPECCIÓN POR PARTIÍCULAS MAGNÉTICAS FLUORESCENTES EN

CAMPO 227

3.7. INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO INDUSTRIAL EN CAMPO 229

3.8. REPORTES DE INSPECCIÓN 233

3.9. REDACCIÓN DEL INFORME FINAL 235


CAPITULO IV 237

DISCUSIÓN DE RESULTADOS 237

4.1. RESULTADOS OBTENDOS DE LA INSPECCIÓN DE LA PROBETA

PATRÓN 237

4.2. RESULTADOS OBTENIDOS DE LA INSPECCIÓN EN CAMPO DE LAS

UNIONES SOLDADAS 240

CONCLUSIONES 248

RECOMENDACIONES 249

BIBLIOGRAFÍA 250

ANEXOS 252

–


1

CAPITULO I

MARCO METODOLÓGICO

1.1. INTRODUCCIÓN

La inspección de construcciones soldadas podría definirse como el conjunto de

actividades encaminadas a asegurar un determinado grado de fiabilidad de un

conjunto soldado mediante la verificación del mismo por medios adecuados

durante diferentes fases del proceso productivo, la importancia de esta inspección

se desprende de la responsabilidad de los equipos y construcciones que

actualmente se fabrican por soldadura, los cuales, en determinadas condiciones

de fallo, afectan seria y directamente a la seguridad pública.

Actualmente los equipos de manipulación modernos necesitan disponer de

caminos de rodadura suaves y continuos. Por tanto, es necesario soldar los rieles

a tope para evitar golpes en las juntas y así evitar daños a las ruedas y otras

piezas mecánicas. La geometría de los rieles impide utilizar otra técnica para la

unión de los mismos, en la práctica, pueden ser utilizados dos métodos de

soldadura sobre suelo o elevados arco eléctrico con electrodos o soldadura

aluminotérmica.

En el uso de soldadura aluminotérmica es importante verificar la documentación

adecuada para la aplicación en campo del proceso de soldadura, para llevar a

cabo un control de calidad que nos brinde resultados reales de las condiciones en

las que se encuentra la sanidad de las uniones soldadas.

La aplicación de ensayos no destructivos forma parte esencial del aseguramiento

de la calidad de una junta soldada, a su vez la calibración de los equipos de

inspección, la elaboración de procedimientos de inspección, determinar los

criterios de aceptación y su aplicación en campo deben ser llevados a cabo en

condiciones óptimas, regidos bajo estándares, especificaciones y códigos

internacionales, así mismo la evaluación e interpretación de los resultados

obtenidos en la inspección en campo definirán el nivel de calidad y fiabilidad de

las uniones soldadas con el proceso aluminotérmico en rieles de grúa tipo A100.


2

1.2. ANTECEDENTES

Soldadura Aluminotérmica

En 1893 Hans Goldschmidt de Alemania comenzó a experimentar con reacciones

aluminotérmicas (procesos altamente exotérmicos que implican reacciones de

óxidos metálicos con polvos de aluminio) para la producción de cromo y

manganeso de alta pureza.

Este trabajo dio lugar a una solicitud de patente para el proceso “Thermit” en

1895 y las ventas de cromo aumentaron rápidamente. Debido a la gran cantidad

de calor liberado por las reacciones químicas exotérmicas y la versatilidad del

proceso “Thermit” otras aplicaciones se encontraron de forma rápida, a finales

del siglo XIX, el proceso “Thermit” se había utilizado con éxito para hacer

reparaciones a grandes piezas de acero forjado, con soldadura por presión

utilizando el calor de los productos de reacción se habían fabricado las primeras

líneas de rieles.

En 1899, el primer ferrocarril se instaló en Essen, Alemania, donde los

ingenieros vieron rápidamente las ventajas de la soldadura aluminotérmica como

método relativamente simple para la reparación en campo de rieles.

En la actualidad los ingenieros de ferrocarriles en la primera parte del siglo XX

intentaron encontrar los mejores métodos y prácticas para diferentes procesos,

incluyendo la soldadura de rieles. Una investigación detallada se llevó a cabo en

los Estados Unidos por El Comité de Uniones Soldadas de Rieles que se

compone de miembros de “American Bureau of Welding” y “American Electric

Railway Engineering Association”.

Este grupo contó con la colaboración de la Oficina Nacional de Normas, los

objetivos del trabajo fueron mejorar y estandarizar la fabricación de uniones

soldadas de ferrocarril. El informe final del comité, fue publicado en 1932 y

contiene resultados de tracción, impacto, caída, y las pruebas de flexión junto con

los resultados de diversas pruebas de los parámetros del proceso de soldadura

para juntas soldadas producidas sobre una línea de rieles en el transcurso de una

década.


3

Ferrocarriles de vapor de todo el mundo comenzaron a ver los beneficios de la

soldadura aluminotérmica de carril.

Esta soldadura también jugó un papel importante en la reconstrucción de la red

ferroviaria alemana después de la Segunda Guerra Mundial. En Estados Unidos,

el ferrocarril central de Georgia utilizó soldadura aluminotérmica y al Ferrocarril

Delaware y Hudson se le atribuye la primera instalación de las líneas férreas con

soldadura aluminotérmica de carril en 1933.

Ensayos No Destructivos

Aunque la historia no ofrece una fecha de inicio precisa para los ensayos no

destructivos, sus antecedentes existen desde muchos años atrás.

Se dice que la harina y el aceite se utilizaron durante la época romana para

encontrar grietas en losas de mármol. Durante siglos, los herreros utilizaban el

sonido como END para identificar diferentes metales.

Uno de los primeros usos registrados de END fue en 1868, cuando el inglés SH

Saxby se basó en las características magnéticas de una brújula para encontrar

grietas en cañones.

Partículas Magnéticas (MT)

Detección de grietas por partículas magnéticas fue ejecutado incluso antes de la

prueba de rayos-X. Ya hemos mencionado el inglés SM Saxby, pero, en 1917, un

estadounidense con el nombre de William Hoke también trató de encontrar

grietas en cañones por indicaciones magnéticas.

La aplicación industrial real se produjo en 1929 por Alfred Victor de Forest y

Foster Baird Doane, quienes en 1934, formó la compañía Magnaflux para

fabricar productos de END, como los que se venden en la actualidad.

Ensayo por Ultrasonidos (UT)

La prueba ultrasónica fue la última técnica de END en emplearse para uso

industrial.


4

En 1847, los métodos de ultrasonido por excitación fueron descubiertos por

James Prescott Joule y más tarde en 1880 por Pierre Curie y su hermano Paul

Jacques.

La primera aplicación "industrial" se recomendó tras el trágico hundimiento del

Titanic, y, en 1929, un ruso llamado Sokolov propuso el uso de la ecografía para

el ensayo de piezas de fundición.

END Después de la Segunda Guerra Mundial

Los END comenzaron a ser reconocidos como tecnología independiente durante

la Segunda Guerra Mundial, en parte a través de la fundación de “American

Industrial Radium and X-ray Society” en 1941, conocido hoy como ASNT.

Los usos de las ayudas visuales tales como espejos, telescopios y endoscopios

rígidos (a veces referido como endoscopios), así como otros dispositivos de

medición, se expandieron a otros campos industriales.

Penetrantes lavables con agua y reveladores "húmedos" se originaron durante la

Segunda Guerra Mundial y se perfeccionaron bien a inicios de la década de 1950.

Los beneficios de las Partículas Magnéticas se realizaron durante la guerra, y en

los años siguientes, el desarrollo y mejora significativa de la tecnología

contribuyeron al incremento de su uso.

Las pruebas radiográficas también vieron la innovación significativa después de

la guerra, al igual que el uso del Ultrasonido.

Los Ensayos No Destructivos han recorrido un largo camino desde los primeros

años, y aquellos de nosotros involucrados en la industria hoy en día tenemos una

deuda de gratitud con estos pioneros, muchos de los cuales nunca vivieron para

ver el fruto de su trabajo. Si no hubiera sido por sus esfuerzos, los ensayos no

destructivos, como industria, no existirían.


5

1.7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad la industria metalmecánica desarrolla proyectos de gran

envergadura que involucran responsabilidad, ética profesional, conocimiento,

actitud y habilidad; para la producción de soldaduras de calidad que eviten

pérdidas tanto humanas como económicas, es por tal motivo que definimos

nuestro tema a tratar como una verificación de la aplicación de soldadura

aluminotérmica y un estudio del control de calidad en la producción de uniones

soldadas en rieles de grúa tipo A100.

1.8 HIPÓTESIS

Se definirá los lineamientos bajo los cuales se realizará la inspección de las

estructuras y los códigos que gobernarán los estándares de aceptación y calidad

de las juntas.

Se verificará que se cuente con la documentación necesaria para la aplicación en

campo de la soldadura aluminotérmica, se inspeccionará que las uniones soldadas

cuenten con la calidad necesaria a través de la aplicación de ensayos no

destructivos y cumplan los estándares de aceptación definidos por el fabricante y

contratista involucrados en el proceso de fabricación.

1. Causas: La necesidad de establecer un plan de inspección para

desarrollo en campo, definido de acuerdo a códigos, estándares y

especificaciones internacionales que nos aseguren la sanidad de las

uniones soldadas aluminotérmicamente.

2. Problemática: La producción de uniones soldadas de dudosa calidad

puede producir a corto o largo plazo el fallo de estructuras en servicio,

pudiendo generar pérdidas materiales o humanas.

3. Efecto: Conseguir que las uniones soldadas cumplan con los

requerimientos de servicio para los cuales son diseñados, elaborando

procedimientos de inspección para la aplicación en campo de ensayos no

destructivos que aseguren la calidad de la soldadura.


6

1.9 OBJETIVOS

1.9.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar el control de calidad en uniones de rieles de grúa tipo A100

soldadas por proceso aluminotérmico con ensayos no destructivos de

Ultrasonido Industrial y Partículas Magnéticas Fluorescentes.

1.9.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Definir la aplicación de los Ensayos No Destructivos (END) adecuados para

la inspección de este proceso de soldadura.

2. Elaborar y verificar la aplicación en campo de procedimientos de inspección

no destructiva aprobados y calificados.

3. Identificar y definir las discontinuidades inherentes del proceso de soldadura

aluminotérmica y sus criterios de aceptación.

1.10 JUSTIFICACIÓN

Dado que el proceso de soldadura aluminotérmica es una técnica de unión de

materiales poco conocida y poco aplicada, se hace necesaria la elaboración de

procedimientos y protocolos para evaluar la sanidad de las uniones soldadas con

este proceso, los cuales deben establecer los criterios de aceptación y el orden de

inspección que se debe considerar en el control de calidad en campo del proceso

aluminotérmico.


7

CAPITULO II:

MARCO CONCEPTUAL

2.1. INTRODUCCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE SOLDEO

El soldeo es el proceso de unión por la cual se establece la continuidad entre las

partes a unir con o sin calentamiento, con o sin aplicación de presión y con o sin

aportación de material se denominara metal base al material que va a ser

sometido a cualquier operación de soldeo o corte y se denominara metal de

aportación al material que se aporta en cualquier operación o proceso de soldeo.

La distinción entre los términos soldeo y soldadura es la siguiente:

“soldeo “ se aplica a la serie de acciones conducentes a obtener uniones soldadas

o “soldaduras”, dicho de otra forma se hablará de “soldadura” cuando nos

refiramos a la unión obtenida como resultado de diferentes acciones de “soldeo”,

tales como procesos de soldeo, parámetros de soldeo, secuencias de soldeo,

equipos de soldeo, etc.

La soldadura puede ser Homogénea o Heterogénea; la soldadura Homogénea es

la obtenida al realizar el soldeo de dos piezas de acero de composición similar sin

utilizar metal de aporte o utilizando un metal de aporte de la misma naturaleza

que de las piezas a unir, la soldadura Heterogénea se da en realizar el soldeo

entre dos piezas de distinto material utilizando como aporte otro material

diferente.

2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE SOLDEO

De acuerdo con la AWS existen tres diferentes métodos de unión de materiales

sujeción mecánica, soldeo y enlace adhesivo, a su vez el método de soldeo se

divide en tres grandes grupos

Soldeo por Fusión

Soldeo en Estado Solido

Soldeo Fuerte y Blando


8

2.3 SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA (TW)

Este resultado es el proceso de la fusión creada por una reacción térmica que

ocurre debido a la diferencia de energía libre entre el aluminio y el óxido de

hierro. Esta diferencia produce suficiente calor para fundir el acero o cualquier

otro metal o aleación sin la aplicación de otro tipo de energía.

Esto ocurre con o sin la aplicación de presión. El uso de metal de aporte es

opcional. Todos los componentes para el proceso aluminiotérmico son usados en

polvos o gránulos. La primera reacción es iniciada por una fuente de calor

externa, el aluminio reduce el oxígeno del óxido de hierro, lo cual da como

resultado en una solución fundida de óxido de aluminio. Desde que estos dos

componentes son diferentes en densidad, ellos se separan automáticamente y el

metal liquido puede ser usado para la producción de aleaciones, metales

especiales o para múltiples procesos de soldadura.

El material térmico es una mezcla mecánica de aluminio metálico y óxido de

hierro procesado. El acero fundido es producido por una reacción térmica en un

crisol forrado con magnesita. En el fondo del crisol, la roca de magnesita es

quemada, esto provee un paso a través del cual el acero fundido es descargado

dentro del molde, este orificio está conectado con un perno roscado, el cual es

cubierto con arena refractaria resistente al calor. El crisol es cargado con la

cantidad correcta de me mezcla de material aluminotérmico.

En la preparación de la junta de la soldadura alumintérmica, las partes a ser

unidas deben estar limpias, alineadas y sujetadas firmemente en el lugar. Si es

necesario el metal tiene que ser removido de la junta para permitir una fluencia

libre de metal aluminotérmico dentro de la junta. Un patrón de cera luego es

hecho alrededor de la junta en el tamaño y forma de la soldadura. Un molde

hecho de arena refractaria es construido alrededor del patrón de cera y la junta

para mantener el metal fundido después de ser vertido. El molde debe ser

apropiadamente ventilado para permitir el escape de los gases y para continuar la

apropiada distribución del metal aluminotérmico en la junta.


9

Fig. 2.3.1: Proceso de soldadura Aluminotérmica.

Fuente: “Recommended practices for the welding of rails and related rail

components for use by rail vehicles” – AWS D15.2 : 2003.

2.3.1 SOLDADURA ALUMINOTÉRMICA PARA UNIONES DE RIELES.

Esta es una descripción in situ de la soldadura de rieles por proceso de soldeo

aluminotérmico, en este proceso, la reacción altamente exotérmica entre el

aluminio y los oxidos de hierro resulta en la producción de acero fundido el

cual es vertido dentro del molde alrededor de la brecha a ser unida. El metal

fundido sobrecalentado ocasiona que los rieles fundidos sean unidos por los

bordes de la brecha, y también es el metal de aporte, cuando el material de los

rieles se funde con el material fundido de acero y se solidifican forman la

soldadura.

“Thermit” es el nombre comercial para una de las mezclas granulares de metal

de aluminio y óxido férrico en polvo que son usados comúnmente y

generalmete llamado “termita”. El encendido del proceso es usualmente se

lleva a cabo por encender una cinta de magnesio o bengala.

Procedimiento para soldadura aluminotérmica:


10

Los rieles son cortados en cuadrado y la brecha a se3r soldada es preparada

con los límites prescritos.

El corte de las caras debe ser limpiado con aceite de kerosene y cepillo

metálico para remover cualquier material contaminante de lo contrario estas

impurezas pueden fusionarse con la junta soldada y convertirse en un defecto.

Una regla metálica de un metro debe ser utilizada para para la alineación de

los bordes de los rieles.

Los términos de los rieles deben ser acomodados para dar espacio a la

solidificación y enfriamiento del material aluminotérmico. Si el sistema de

escape de los rieles no está hecho, la junta se puede hundir debido a la

diferencia de enfriamiento de la cabeza del riel con respecto al patín porque es

donde se encuentra mayor material lo que provoca un enfriamiento más lento.

Una junta hundida nos provocaría un rodamiento malo y se convertiría en un

problema de mantenimiento. Como la junta va a estar expuesta a grandes

esfuerzos debido al aumento dinámico.

Para el alineamiento vertical y lateral, son usadas cuñas.

Lugar para el crisol y la torcha son fijados en la cabeza del riel, en el

apropiado lugar, en el lado opuesto de la brecha de soldadura la posición y la

altura del lugar de la torcha es revisada y ajustada colocando el soplete de

precalentamiento que luego se retira para ser usado con posterioridad.

Un set de moldes prefabricados apropiados para la sección de riel a soldar es

seleccionado y examinado. El perfil de riel del molde es revisado colocando el

molde contra el lado del riel a ser soldado. Si es requerido, pequeños ajustes

en el molde pueden ser hechos frotando el molde contra el lado del riel.

Después que los moldes son colocados se les pone una abrazadera y se les fija

con arena de cementación. El lugar del molde debe ser en el centro de la

brecha, de no ser así cuando se vierta el metal fundido uno de los rieles puede


11

tener más temperatura que el otro y la fusión en el otro riel puede no ser

completada.

Los espacios abiertos, si es que existen entre el molde y el perfil de riel son

sellados con arena de cementación. Depósitos de escoria son colocados en el

molde para recolectar toda la escoria desbordante y metal fundido durante el

vertido.

Las líneas de magnesita en el crisol tienen que ser ubicadas a la correcta altura

y alineamiento en el lugar del crisol basculante. Un pin de cierre es colocado

en el fondo sobre la abertura.

La cabeza de este pin es cubierta por alrededor de 5 gramos de asbesto en

polvo, para que no se fusione con el metal fundido.

Se vierte la mezcla de auto encendido en el crisol en forma cónica.

Usando GLP (uso comercial en cilindros) y oxígeno (o de gasolina y aire

comprimido, una técnica antigua, pero todavía en uso), el quemador de

precalentamiento o soplete se ilumina y la llama se sintoniza. Esta antorcha se

coloca en su soporte, que se fija sobre el hueco, y la llama se dirige en el

molde a través de la abertura central. La llama calienta los extremos del carril

y esto se hace durante un tiempo especificado para cada sección de carril.

Como se ha completado el precalentamiento, la reacción aluminotérmica es

iniciada encendiendo una bengala y poniéndola en el crisol. La reacción se

deja un tiempo determinado para que la escoria sea separada del metal

fundido. A partir de entonces, el pasador de cierre se sangra desde el exterior,

descargando así el metal en la cavidad central superior del molde.

Se elimina el exceso de acero aluminotérmico sobre la cabeza del carril

después de la solidificación (pero cuando el metal está todavía al rojo vivo)

por cualquiera de cincelado manual o usando otro tipo de herramientas.


12

Se retira el material refractario restante y las bandas de ventilación de acero

adjuntas al collar del pie de la soldadura se apagan.

Las cuñas, etc., se eliminan y la cabeza del carril se maquina a mano o con

máquinas.

2.3.2 REACCIONES ALUMINOTÉRMICAS

El aluminio reacciona con los óxidos de hierro, óxido férrico en particular, en

reacciones altamente exotérmicas, la reducción de los óxidos de hierro para

liberar el hierro, y forman una escoria de óxido de aluminio.

Los diversos óxidos de hierro se utilizan en proporciones apropiadas a fin de

obtener la cantidad resultante correcta y la temperatura del acero fundido.

Aproximadamente cantidades iguales de acero fundido y óxido de aluminio

líquido se separan a aproximadamente 2400 ° C, después de unos pocos

segundos de la reacción exotérmica. El hierro obtenido de una reacción de

este tipo es suave e inutilizable como un metal de soldadura para la unión de

rieles. Para producir una aleación de la composición correcta, se añaden

aleaciones de ferro-manganeso a la mezcla junto con piezas de acero dulce,

ambos como partículas pequeñas, para permitir una rápida disolución en el

hierro fundido, para controlar la temperatura y aumentar la recuperación del

metal. La separación de la escoria se completa en un corto período de tiempo

y una mayor fluidez del metal fundido se logra mediante la adición de

compuestos como el carbonato de calcio y fluorita, etc.

Se requiere pre-calentamiento de los extremos del carril (a aproximadamente

1000 ° C) para ayudar a el metal fundido en la colada, ya que de lo contrario,


13

el metal fundido puede enfriarse y solidificar inmediatamente al entrar en

contacto con el carril frío, sin colarse de la oxidación de la superficie.

2.4 INSPECCIÓN DE SOLDADURAS EN RIELES

Los rieles de tren se someten a patrones de estrés complejos a lo largo de su vida

laboral. Como las ruedas pasan a lo largo de ellos esto introduce tensiones de

distintos grados dependientes del peso del eje.

Además, hay muchos rasgos mecánicos, tales como juntas aislantes de carril,

interruptores, cruces, que se traducen en agujeros; los cambios en la sección

transversal; y soldaduras. Estos factores, combinados con efectos ambientales de

temperatura, agua, hielo, y una amplia gama de fluidos contaminantes, conducen

a una situación en la que una variedad de defectos pueden iniciarse y crecer

mientras que el ferrocarril está en servicio.

Una de las áreas clave en las que existe la más compleja interacción de las

tensiones y de la geometría en el carril está en uniones atornilladas.

La naturaleza de una unión atornillada es tal que hay una serie de agujeros

perforados en el alma del carril, y entonces barras se utilizan para mantener la

continuidad de la tensión de una sección de carril al siguiente. Cada una de ellas

tiene el potencial de introducir un elevador de tensión que puede aumentar

enormemente la tensión local, lo que lleva a un crecimiento rápido de fisuras. Por

esta razón, siempre ha habido un deseo de eliminar uniones atornilladas; esto se

logra mediante el proceso de soldadura para ferrocarril.

Hay un número de métodos para la soldadura de los extremos de carril para

formar un carril continuo. La soldadura-alumino térmica es el más antiguo y más

común (el proceso de soldadura de termita). Esto es seguido por las diversas

formas de la soldadura de arco eléctrico manual y, más recientemente, la técnica

de la soldadura “FLASH”.

El proceso de soldadura aluminotérmico esencialmente hace uso de acero

fundido para llenar la cavidad entre dos carriles, para fusionar los extremos es

necesaria una reacción exotérmica en un molde colocado sobre la cavidad a unir,


14

cuando se funde el acero en el momento apropiado, se deja escurrir en la cavidad,

formando así la unión soldada y un riel continuo.

La soldadura por arco se lleva a cabo por un operador que llena la cavidad entre

los extremos de los carriles utilizando muchos pases con varillas de soldadura

manuales para llenar la abertura de raíz con la finalidad de fusionar los extremos

de los rieles.

Tabla 2.4.1: Tipos de Rieles según norma Europea DIN 536

Fuente: Gantrex S.A.

La soldadura “flash” difiere de los otros dos métodos porque no hay ningún otro

material que se utilizará en el proceso distinto del carril en sí mismo. Una

poderosa corriente eléctrica crea arcos entre los rieles a unir para luego ser

presionados entre sí. Estos arcos causan que los extremos de los rieles se

calienten y conviertan en semi-fundido, momento en el que los extremos se

juntan para generar una fusión. Al enfriar, los extremos de carril se unen sin la

introducción de cualquier metal de relleno.


15

Todas estas técnicas pueden introducir defectos en el carril. La gran mayoría de

estos se produce en la interfaz de soldadura entre el metal de soldadura y el metal

base, con un número más pequeño en el cuerpo del propio metal de soldadura.

La tarea del inspector es detectar y clasificar los defectos, preferiblemente en el

momento en que se realiza la soldadura. Una gran cantidad de evidencia

estadística muestra que una soldadura es más probable que falle inmediatamente

después de que se formó, también se corre el riesgo de que la soldadura falle en

relación con el tiempo en servicio y la cantidad y severidad de los defectos

presentes en su composición.

2.4.1 DEFECTOS DE SOLDADURA

Los métodos de inspección se dividen en dos grandes clases: la inspección

visual y las técnicas instrumentadas. La segunda categoría incluye líquidos

penetrantes e inspección de partículas magnéticas, ultrasonido y radiografía.

El defecto más grave es la fusión incompleta. Aquí es donde el nuevo material

introducido durante el proceso de soldadura no se fusiona a los extremos del

carril ver Fig. 2.4.1

Fig. 2.4.1: Ejemplo de fusión incompleta.

Fuente: “INSPECTING WELDS IN RAIL” – Bertil Eklund y Bob

Crocker.


16

Fig. 2.4.2: Ejemplo de porosidad.


Crocker.

Otro problema común es la porosidad, que se produce debido a que el material

con el que el molde está hecho, normalmente arena, está húmeda cuando se

realiza la soldadura y genera burbujas de gas cuando el acero fundido se

solidifica - Fig. 2.4.2.

Un tipo de defecto más reciente es el del desgarro en caliente. Esto ocurre

cuando se aplican tensiones de tracción a través de la soldadura antes de que

el carril de acero se haya solidificado, lo que resulta en un desgarro del

material de soldadura en el interior del volumen del material fundido - Fig.

2.4.3.


17

Fig. 2.4.3: Desgarro en caliente.


Crocker.

Todos estos defectos son esencialmente internos en la soldadura. Ellos no son

fácilmente detectables desde el exterior a menos que parte de ellos alcance en

realidad la superficie externa. Si esto ocurre un inspector puede ver el defecto

como un defecto superficial.

Otro punto importante a tener en cuenta es que una vez que una soldadura está

establecida en el ferrocarril y ha estado en servicio sin fallar, puede entonces

ser tratado como riel de ferrocarril continuo. Por lo tanto, los tipos de defectos

asociados con líneas férreas normales se aplican igualmente a las soldaduras

de carril en cuanto a metodologías de inspección se refiere.

2.4.2 MÉTODOS DE INSPECCIÓN

VISUAL

Una de las inspecciones más importantes de cualquier soldadura de ferrocarril

es la inspección visual realizada por el soldador al final de la operación de

soldadura. O bien el soldador, o un inspector designado, deben realizar un

examen visual detallado de todas las superficies externas de la soldadura para

determinar si alguno de los tipos de defectos identificados anteriormente están

presentes como características sin precedentes de la superficie. Cada


18

organización de tren prescribe la forma en que la soldadura debe ser

examinada y reportada, por ejemplo, el uso de un espejo para examinar bajo el

patín del carril. Visualización de los defectos externos normalmente

desencadena la obligación de llevar a cabo una prueba adicional de algún tipo.

LÍQUIDOS PENETRANTES

Esta técnica resalta la superficie del carril para aumentar la visibilidad de

cualquier grieta por romper en la superficie u otras características. Funciona

mediante el recubrimiento del riel con un tinte formulado para penetrar en las

grietas de manera que cuando la mayoría del colorante se elimina de la

superficie, el colorante que queda atrapado en las grietas se vuelve fácilmente

visible, destacando así la presencia y características de la grieta.

PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

Esto es esencialmente similar a líquidos penetrantes se trata de una técnica

que "decora" la superficie del carril para resaltar el paradero de fisuras. El

carril es magnetizado y luego recubierto con un polvo o líquido que contiene

partículas magnéticas. Se forman líneas de campo magnético, las fugas de este

campo muestran las discontinuidades presentes en el componente o la unión

soldada.

Fig. 2.4.4: Superficie aplicada con partículas magnéticas.

Fuente: “PARTICULAS MAGNETIZABLEZ” - Universidad

nacional de Comahue, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de

Ensayos No Destructivos.


19

RADIOGRAFÍA

Las soldaduras de ferrocarril siempre han sido consideradas como candidatos

ideales para la inspección por radiografía debido a las secciones de acero

relativamente gruesas y compleja geometría de la muestra.

Sin embargo, en la práctica, ha resultado prohibitivo para la industria en su

conjunto adoptar este método. La radiografía necesita un generador eléctrico

de gran alcance para proporcionar suficiente penetración y métodos

radiactivos requieren una relativamente poderosa fuente isotópica. Estos traen

cuestiones de salud, seguridad ambiental cuando se utiliza en el campo.

Además, se ha demostrado que es difícil obtener correlación entre los

resultados de examen radiográfico y los mecanismos de fallo. Varios estudios

encontraron que la radiografía se puede utilizar para mostrar que

prácticamente todas las soldaduras tienen algunos defectos, pero, en la

práctica, muy pocos fallan.

Fig. 2.4.5: Radiografía de soldadura defectuosa.


Crocker.

ULTRASONIDO

Técnicas de ultrasonidos se utilizan principalmente para la inspección de las

juntas por soldadura aluminotérmica. Hay técnicas que se han desarrollado

específicamente para la inspección de soldaduras, pero ninguna de las técnicas


20

actualmente en uso inspecciona dentro del material fundido de la soldadura.

Todos ellos se utilizan para determinar la calidad de las caras de fusión.

Hay muchas variaciones sobre el tema de la cara de fusión, pero

esencialmente se denomina a todo intento de examinar la fusión de las caras

en todos los puntos en la sección transversal del carril. La mayoría de las

inspecciones ultrasónicas ferroviarias se concentraran sólo en la cabeza o en la

“web”, pero la inspección de soldadura tiene que prestar tanta atención a los

pies del carril como a cualquier otra parte de la sección transversal.

Inspección manual con sondas de mano

La gran mayoría de inspección por ultrasonidos de soldaduras de carril son

realizadas por los operadores cualificados que utilizan transductores de mano.

Para algunas partes de la sección transversal, dos transductores se utilizan

juntos en una técnica en la que uno actúa como el transmisor y el otro como el

receptor de ultrasonido que se refleja fuera de las caras internas de fusión. El

operador está entrenado para reconocer señales que representan defectos tales

como fusión incompleta o porosidad en la cara de fusión. Un único

transductor se utiliza para otras partes de la sección transversal, y en esos

casos, el transductor actúa como transmisor y el receptor.

En todos los casos, la inspección es relativamente lenta y el operador requiere

una considerable formación, habilidades y experiencia para inspeccionar

adecuadamente las soldaduras. Esto presenta dificultades en tres formas: En

primer lugar, el tiempo en campo para un operador es costoso. En segundo

lugar, el costo de la capacitación y supervisión, mientras que un operador está

ganando habilidad se está convirtiendo casi prohibitivo. Por último, todo el

proceso es subjetivo, porque no existe un registro directo de la inspección,

sólo las notas hechas por el operador. No hay evidencia directa de la

calibración de los equipos, o del cuidado con que la inspección se llevó a

cabo. El proceso se basa enteramente en la integridad del operador.


21

Todo esto lleva a una situación en la que la mayoría de las soldaduras no son

inspeccionadas a menos que un defecto ha sido detectado durante la

inspección visual.

Inspección manual con una plataforma de sonda

Algunas organizaciones ferroviarias utilizan los mismos transductores que se

utilizan en un examen mano, pero colocarlos en una llamada "plataforma

tándem." El objetivo es introducir un poco de coherencia a la manipulación de

las sondas de mano mediante la eliminación de la manipulación manual del

control del operador. Sin embargo, esto sólo se puede utilizar en ciertas partes

de la sección transversal y algunas áreas permanecen bajo el control del

operador. En consecuencia, las mismas consideraciones se aplican a este

método en el respeto a la integridad de la inspección.

Instrumentos para la Inspección Ultrasónica

En un intento de eliminar la subjetividad del examen ultrasónico, varias

organizaciones de ferrocarril están desarrollando nuevas técnicas ultrasónicas

para inspeccionar la totalidad de la sección transversal de soldadura sin la

necesidad de utilizar transductores de mano.

El procedimiento más altamente desarrollado en la actualidad se conoce como

la inspección de ondas ultrasónicas guiadas. Esto hace uso de una rama algo

sin desarrollar de ultrasonidos llamadas ondas de Lamb. Estos tipos de

vibraciones ultrasónicas se producen en toda la muestra y se registra la

variación de los patrones de vibración utilizando técnicas informáticas

sofisticadas, los desarrolladores ahora pueden identificar y clasificar los

diferentes tipos de defectos en la soldadura. En el Reino Unido este está

siendo desarrollado como una pieza de equipo conocido como GULS.

Actualmente esto sigue siendo una técnica de "spot" en el que el equipo tiene

que estar situado en el carril, por lo que requiere el acceso a la línea. Sin

embargo, tiene el potencial para cruzar la sección completa del material para

el examen, al examen, pero con un registro auditable (mejorando así las


22

técnicas ultrasónicas actuales), sin consecuencias a la salud, seguridad o

problemas ambientales (superando así las dificultades asociadas con la

radiografía).

Línea de Inspección Ultrasónica

Como se dijo anteriormente, una vez que una soldadura está en uso en campo

se trata como vía corriente. Hay varias técnicas utilizadas para inspeccionar la

línea sencilla pero los principales son el uso de ultrasonidos de haz angular

montados ya sea manualmente o en diferentes equipos de inspección.

Hay un número de tipos de defectos que se producen en soldaduras en carril.

Todo esto puede ser detectado al principio, pero hay dificultades prácticas con

todos los métodos en uso provocados por el medio ambiente ferroviario. En

consecuencia, el método más común es la inspección visual con otros métodos

de inspección requeridos si la inspección visual revela algún problema.

Ninguno de los métodos en uso rutinario produce registros automáticos,

auditables de la integridad de inspección.

Las técnicas se encuentran en desarrollo para los exámenes que reducirían la

necesidad de uso de operadores calificados y producir registros

completamente auditables.

Una vez que una soldadura está en servicio se inspeccionará como parte

continua del ferrocarril normal por todos los métodos de uso rutinario.

2.5 INTRODUCCIÓN A LA SOLDABILIDAD

Cuando hablamos de soldabilidad solemos relacionar este término a la facilidad

con la que un material puede ser unido, alcanzando las propiedades mecánicas

que se requieren para su operación en servicio. Sin embargo, el término

soldabilidad abarca mucho más de lo que esta simple definición nos puede

advertir a simple vista.

Veamos cómo define la norma ISO 581/80 al término soldabilidad:


23

“Un acero se considera soldable en un grado pre-fijado, por un procedimiento

determinado y para una aplicación específica, cuando mediante una técnica

adecuada se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión, de tal

manera que ésta cumpla con las exigencias prescritas con respecto a sus

propiedades locales y a su influencia en la construcción de la cual forma parte

integrante”.

Esta última definición nos permite advertir muchos aspectos involucrados en ello

que pretendemos entender como soldabilidad. Analicemos esta última definición:

“Un acero se considera soldable en un grado prefijado…”: quiere decir

que, en principio, no podemos afirmar categóricamente que un acero es soldable

o no; sino, más bien, existen niveles o grados de soldabilidad que puede tener un

acero.

”...por un procedimiento determinado y para una aplicación específica,

cuando, mediante una técnica adecuada... “: quiere decir que tampoco

podemos definir la soldabilidad de manera independiente al proceso de soldadura

empleado, a las condiciones en las cuales va a trabajar la unión soldada y

tampoco a la técnica que desea emplear.

“. . .se pueda conseguir la continuidad metálica de la unión... “: esto nos

indica que la unión soldada debe formar una unidad con los materiales a unir.

“...de tal manera que ésta cumpla con las exigencias prescritas con

respecto a sus propiedades locales y a su influencia en la construcción de la

cual forma parte integrante”: esta última parte es la exigencia que debe

cumplir la unión soldada y a través de la cual solemos calificarla. De qué sirve

que hallamos unido dos metales a través de un proceso y una técnica determinada

para cumplir con una aplicación específica si al final no es capaz de brindar las

propiedades mecánicas (o por ejemplo, resistencia a la corrosión) o contribuir

favorablemente a preservar la integridad estructural de un componente.

Por lo tanto, vemos pues que hablar de soldabilidad ya no resulta tan sencillo

como parecía.


24

Un acero puede ser soldable, con un proceso pero con otro no, puede ser soldable

para una aplicación pero para otra no, o puede incluso brindar continuidad

metálica pero no ser soldable.

La soldabilidad entonces, suele ser considerada bajo los siguientes puntos de

vista:

a.- La soldabilidad operativa se refiere a la operación de soldeo en sí y estudia

las dificultades de su realización, bien sea por fusión o por otros procesos. Es la

posibilidad operatoria de unir los metales con el fin de obtener continuidad

metálica en la unión.

Ejemplo: Soldar el metal A empleando el proceso SMAW. Si no logramos unirlo

entonces decimos que el metal no es soldable operativamente con el proceso

SMAW.

b.- La soldabilidad metalúrgica se ocupa de las modificaciones

microestructurales que resultan de la operación de soldeo. Supone obtener las

características mecánicas deseadas en la unión.

Ejemplo: Se logra soldar el metal A empleando el proceso SMAW (continuidad

metálica) pero sus propiedades mecánicas son inferiores a las que se le exige,

entonces hablamos de problemas de soldabilidad metalúrgica.

c.- En la soldabilidad constructiva o global se trata de definir, estudiar las

propiedades y condiciones que debe reunir la soldadura para poder entrar en

servicio en una construcción determinada. Define las propiedades de conjunto de

la construcción, por la sensibilidad de la unión a la deformación y a la rotura bajo

el efecto de las tensiones.

Ejemplo: Se suelda el metal A mediante el proceso SMAW, consiguiendo una

buena soldabilidad operativa, una buena soldabilidad metalúrgica, pero ahora

resulta que el procedimiento al ser aplicado en la construcción de una

determinada estructura provoca serias deformaciones o la aparición de tensiones


25

residuales pone en riesgo la integridad de todo el conjunto de la construcción.

Nos encontramos pues ante un problema de soldabilidad constructiva.

Tengamos pues presente que el término soldabilidad implica enfocar el problema

de la unión soldada desde diferentes ángulos.

Entonces, dijimos que la soldabilidad (metalúrgica) busca alcanzar la continuidad

metálica de la unión garantizando determinadas propiedades que pueden ser:

Resistencia estática

Resistencia a la fatiga

Resistencia a la corrosión

Ductilidad

Tenacidad

Aspecto

En general, decimos que un metal o aleación es soldable (metalúrgicamente) si

cumple con las siguientes condiciones:

Que tenga una buena tenacidad después de efectuada la soldadura.

Que su composición química sea tal, que la zona fundida no se haga frágil

por dilución con el metal base.

Los factores más importantes que influyen en la soldabilidad de los metales y

aleaciones son los siguientes:

Las transformaciones que se producen en la ZAC.

La composición química de los materiales a unir (metal base y metal de

aporte).

Las tensiones residuales generadas durante la soldadura.

El procedimiento de soldadura empleado.

¿Qué problemas relacionados con la soldabilidad se pueden presentar

durante y después de la soldadura?


26

Hemos identificado algunos de los factores más importantes que afectan la

soldabilidad y que problemas se pueden presentar cuando la soldabilidad no es

buena, ahora vamos a centrar nuestra atención en aprender algunos criterios para

predecir el grado de soldabilidad que puede tener un acero. Uno de estos criterios

muy empleados es el empleo del índice denominado carbono equivalente (CE).

2.5.1 CARBONO EQUIVALENTE

Introducción

Una de las formas de predecir la soldabilidad de los aceros de construcción

es a través de la medida de la dureza de las soldaduras, en la ZAC. En las

soldaduras, los valores de dureza altos se han considerado como indicadores,

en general, de potenciales problemas como la fisuración en frío,

comportamiento frágil de las uniones soldadas, corrosión bajo tensión,

fragilidad por hidrógeno, etc.

La dureza máxima de un acero depende, principalmente, de su %C. La dureza

máxima real bajo el cordón depende no sólo del contenido de carbono del

acero, sino también de su templabilidad bajo los ciclos térmicos presentes

durante la soldadura en la que influyen muchos otros factores. La

templabilidad de un acero depende no sólo del %C sino de los elementos

aleantes y de otros factores como el tamaño de grano austenítico por ejemplo.


27

Un acero con buena templabilidad alcanza con facilidad después de un

enfriamiento rápido la transformación martensítica y eleva su dureza. Por ello

cuando uno desea fabricar elementos de máquinas de alta resistencia mecánica

se seleccionan aceros aleados de alta templabilidad que puedan ser templados

y revenidos de manera adecuada.

Por el contrario, en la soldadura se debe evitar cualquier posibilidad de

“temple accidental”.

Es decir no podemos permitir que durante el ciclo térmico de la soldadura,

alguna región del acero alcance a transformarse en martensita. Por ello, la

templabilidad del acero es una cualidad que juega en contra de su buena

soldabilidad Un acero de buena templabilidad es un acero difícilmente

soldable.

Como el carbono es el elemento que más influye en la templabilidad y en la

dureza final de un acero se ha considerado denominar como “carbono

equivalente” (CE) al índice que permite correlacionar la composición química

de un acero con su tendencia a presentar estructuras frágiles cuando este es

sometido a un proceso de soldadura.

Fórmulas del carbono equivalente (CE)

El cálculo del carbono equivalente representa pues una forma de describir la

composición química por medio de un solo número, a fin de analizar como las

variaciones de la misma influyen en el comportamiento del material.

El CE de un acero es una medida de su tendencia potencial a fisurarse durante

o después de la soldadura.

Sin embargo, se han deducido una gran cantidad de fórmulas empíricas para el

cálculo del carbono equivalente, orientado a brindar información sobre

diversos aspectos como pueden ser:

La templabilidad.


28

La sensibilidad de los aceros a la fisuración en frío (a fin de estimar la

temperatura mínima de precalentamiento recomendada o la tolerancia a la

fisuración debida al hidrógeno).

La evaluación de las propiedades durante el servicio (que permita medir a

través del CE, por ejemplo, el agrietamiento a causa de los sulfuros o el

agrietamiento por corrosión bajo tensiones).

Sin embargo no podemos esperar que todas estas características de un acero, o

de las uniones soldadas, puedan describirse de manera fiable por medio de un

único número o CE que dependa solamente de su composición química. El

uso de todas las fórmulas debe, pues, limitarse a su objetivo inicial (ya sea,

alguno de los descritos arriba o algún otro claramente establecido).

Existe un gran número de expresiones diferentes para el CE pero aquí

presentaremos algunas de las más empleadas en la actualidad:

La fórmula del CE del IIW:

La conocida fórmula deducida por el IIW (Instituto Internacional de

Soldadura) para determinar el carbono equivalente, inicialmente propuesta por

Dearden y O’Neill en 1940, puede utilizarse para aceros con contenido de

carbono superior al 0,18% o en unas condiciones de soldeo que requieran un

enfriamiento lento: t8/5 > 12 segundos. Todos los elementos de aleación están

expresados en % peso.

Fórmulas del tipo PCM (Parámetro de composición) que fueron propuestas

por Ito y Bessyo (1968):


29

Esta fórmula es empleada por el código estructural AWS D1.1 para la

determinación de la temperatura mínima de precalentamiento.

El tipo de CEMW, propuesta por Dûren (1981):

Ambas pueden elegirse para aceros que tengan una proporción de carbono

inferior a 0,22% y en el caso de un enfriamiento rápido: t8/5 < 6 segundos.

Esta ecuación da una mejor correlación con las situaciones reales de

soldaduras en campo donde las velocidades de enfriamiento suelen ser

mayores (t8/5 = 2 - 3 s).

La fórmula de CEN propuesta por Yurioka (1981):

En la que A(C) = 0,75 + 0,25 tanh{20 (C - 0,12)}

A(C) es un factor de acomodación que se aproxima a 0,5 cuando el %C

<0,08% y a 1 cuando %C>0,1 8%.

Esta expresión ofrece estimaciones aceptables para aceros con contenidos de

carbono hasta el 0,25%.

El criterio que se emplea con el CE es que cuanto más alto sea su valor, el

acero tendrá mayor dificultad para ser soldado. Para evitar riesgos de

fisuración en frío por la presencia de estructuras frágiles en el cordón de

soldadura se recomienda que el CE no sea mayor a 0,35-0,40 (dependiendo

del espesor de la plancha y el grado de embridamiento de la unión).


30

Podemos hacer una clasificación algo genérica de la soldabilidad de los aceros

en función de su CE:

Aceros con un CE < 0,2 - 0,3% tienen buena soldabilidad.

Aceros con un CE > 0,4% tienen riesgo de fisuración en frío en la ZAC.

En consecuencia, actualmente es práctica muy extendida especificar un

contenido máximo de CE en los pedidos de aceros destinados a

construcciones soldadas, o fijar un valor límite para la dureza bajo el cordón

como uno de los criterios para elaborar procedimientos de soldadura.

En cualquier caso, el empleo de una fórmula del CE no puede salirse de los

márgenes de las composiciones químicas para los que ha sido estimada ni

aplicarse a alguna evaluación para la que no se destina.

Reflexiones muy importantes acerca del CE

El empleo de una fórmula del CE para predecir la soldabilidad de un acero

puede ser cuestionada por la siguiente razón:

El CE solamente tiene en cuenta la composición química como único factor

que puede influir en la microestructura y en la dureza de un acero soldado.

Además el riesgo a fisuración en frío no sólo depende de la microestructura

presente, esto es una simplificación muy grande a un mecanismo que esta

asociado a muchos otros factores como el aporte de calor, el proceso de

soldadura empleado, el tipo de junta, el espesor de la pieza a soldar, el grado

de embridamiento de la unión, el contenido de hidrógeno difundible en el

cordón, el material de aporte, etc.

Sin embargo, no puede negarse la utilidad práctica del concepto del CE para

limitar el riesgo de fisuración en frío. De todos modos, en el estado actual de

los conocimientos en la tecnología de soldadura, tales fórmulas sólo pueden

utilizarse para elegir algunos aceros que en condiciones determinadas y bien

controladas (como el procedimiento de soldadura y la forma de la unión)


31

pueden emplearse con seguridad para prevenir la aparición de fisuración en

frío.

Otra aplicación importante que tiene el CE es orientarnos a la selección de la

determinación de la temperatura de precalentamiento mínima que limite el

riesgo de fisuración en frío.

En resumen, las fórmulas para calcular el CE sólo pueden aplicarse a la

estimación rápida y sencilla, (pero incompleta), de la aptitud de un acero para

soldarse. Por lo tanto el empleo demasiado estricto de un criterio que imponga

un valor límite a cualquier fórmula, puede convertirse en un obstáculo para el

desarrollo de nuevas calidades de acero o para la mejora de los

procedimientos de soldadura.

Las pruebas de calificación del procedimiento de soldadura, adaptadas a cada

caso, son siempre preferibles a los cálculos empíricos y pueden proporcionar

una información más rigurosa y fiable sobre la calidad de las uniones

soldadas.

IMPORTANTE: El cálculo del CE debe hacerse preferentemente a partir de la

composición química mediante el análisis del producto a soldar y no a partir

de los contenidos máximos especificados por normas, sean estas nacionales o

internacionales.

Determinación de la temperatura de precalentamiento De los ejemplos

anteriores podemos concluir que la forma más directa de evitar estructuras

frágiles es logrando que la velocidad de enfriamiento de la unión soldada sea

lo suficientemente lenta para evitar la transformación martensítica. Para

alcanzar esta condición muchas veces será necesario precalentar la unión a

soldar a fin de reducir el gradiente térmico y con ello la velocidad de

enfriamiento.

Existen pues diferentes criterios o métodos para determinar la temperatura de

precalentamiento, pero todos ellos se basan en la condición de no generar


32

estructuras frágiles o susceptibles a la fragilización. A continuación

presentaremos unos criterios recomendados por la American Welding Society

(AWS) en su código estructural AWS-D1.1.-2000.

Método recomendado por el código estructural AWS-D1.1

Lo primero que debemos calcular es el CE del acero a ser soldado a partir de

la siguiente

Fórmula:

Con el valor del CE y del %C del acero se localiza un punto en la figura 5.15

donde se determina en cuál de las tres zonas está ubicado el acero que

queremos soldar.

Fig. 2.5.1: Zonas de ubicación del acero.

Fuente: “MANUAL DEL SOLDADOR” 6TA EDICIÓN – Germán

Herández Riesco.


33

De acuerdo a la zona en que caiga el punto, se tendrán los siguientes criterios:

Si el acero cae en la zona 1:

El riesgo de fisuración es casi improbable, pudiendo ocurrir solamente en caso

que haya presencia de alto % hidrógeno dentro del cordón de soldadura o que

se haya soldado empleando un montaje muy rígido (fuertemente embridado)

que impida la deformación y que por lo tanto genere tensiones residuales

elevadas.

Vemos que esta zona corresponde a aceros con %C< 0,1 sin restricción del

CE.

Para estas aleaciones la dureza de la martensita no es muy elevada y admite

cierto nivel de tenacidad. Por ello, el riesgo de fisuración por estructuras

frágiles es prácticamente inexistente.


Se puede emplear el método de control de la dureza en la ZAC para

determinar el calor de aporte mínimo en soldaduras de filete de una sola

pasada sin precalentamiento.

Si el aporte de calor no resulta de mucha utilidad práctica, se puede emplear el

método del hidrógeno para calcular la temperatura de precalentamiento.

Para uniones soldadas a tope, se debe emplear el método de hidrógeno para

determinar el precalentamiento.

Para aceros con alto %C, se debe emplear tanto el método del control de

dureza para determinar el aporte de calor mínimo y el método de hidrógeno

para determinar la temperatura de precalentamiento, ya sean uniones soldadas

a tope o en filete.



34

Se debe emplear el método de hidrógeno para calcular la temperatura de

precalentamiento, especialmente en situaciones en las que el calor de aporte

debe ser restringido para preservar las propiedades mecánicas de la ZAC (por

ejemplo en aceros templados y revenidos).

Esta zona corresponde a aceros con alto %C y alto CE, es decir son

precisamente los aceros con más dificultad para soldar por su elevada

tendencia a la fisuración en frío.

Bien, una vez que hemos definido en cuál de las tres zonas cae el acero que

deseamos soldar, vamos a proceder a emplear los métodos recomendados para

determinar los parámetros de soldadura que nos brinden un menor riesgo de

formación de estructuras frágiles.

2.6 METALURGIA DE LA SOLDADURA

El hierro es un metal de color gris que se encuentra presente en la corteza

terrestre, o litosfera, en una proporción aproximada del 5.06% y es, por lo tanto,

el metal más abundante de la naturaleza, después del aluminio que representa un

8.07%. Sin embargo, el hierro no se encuentra nunca en estado nativo, es decir,

puro, en cantidades de interés industrial.

Solamente como curiosidad puede citarse la existencia de pequeñas masas

aisladas de hierro metálico mezclado con algo de níquel (generalmente del 7 al

15%, a veces hasta el 30%) procedentes de meteoritos o de los escasos hallazgos

de hierro de origen telúrico en forma de pequeños nódulos embebidos en el

interior de rocas basálticas.

El hierro se encuentra en la naturaleza en forma de óxidos o carbonatos,

mezclado con otras substancias que no contienen hierro o lo contienen en muy

pequeña cantidad, tales como arcillas, cuarzo, piedra caliza, etc. Que constituyen

la parte inerte o ganga de los minerales de hierro.

Si todo el hierro se encuentra formando compuestos como óxidos, entonces

¿Cómo se obtiene el hierro puro?; los procesos para obtener hierro metálico, a


35

partir de sus minerales, no permiten obtener hierro puro sino unido a cantidades

variables de otros elementos, tales como el carbono, manganeso, silicio, fósforo,

azufre, cobre, etc.

El hierro más puro obtenido por medios industriales es el llamado hierro Armco,

producido en hornos Martin-Siemens. Su densidad es de 7.868 g/cm3 y su

composición aproximada es la siguiente:

Mediante procesos electrolíticos seguidos de un refino mediante fusión por

zonas, se consigue obtener hierro con una pureza de hasta un 99.99%.

El Fe al igual que cualquier otra substancia, puede hallarse en estado líquido,

sólido o gaseoso, según sea la presión y la temperatura a la que se encuentre. Si

la presión es la atmosférica, el Fe estará en estado sólido hasta alcanzar una

temperatura de 1535°C; por encima de este valor, el Fe se encontrará en estado

líquido hasta que alcance la temperatura de 3000°C, en la que comenzará a

ebullir pasando al estado gaseoso.

Peor el hierro no solo sufre los cambios de estado en función de la temperatura

sino que también sufre transformaciones en estado sólido.

¿Qué es una transformación en estado sólido? Para entenderla, es necesario

comprender primero que significa el estado sólido. Parece evidente pero no lo es.

Estrictamente hablando algunos de los materiales que usamos cotidianamente y

que tienen características de sólidos no lo son en realidad. Nadie podría decir que

un vaso de vidrio con el cual bebemos agua no sea un material sólido; es más,

podría pasar por bromista o chiflado el que afirme que el vaso de vidrio es

también un líquido como el agua. Sin embargo, la verdad es que el vidrio tiene

características internas más de líquido que de sólido.


36

Entonces ¿Qué es un material sólido? Si viajáramos al interior de un material a

escala submicroscópica, veríamos que está constituido por átomos. Cuando se

trata de un material sólido, entonces los átomos se encuentran ordenados

formando una estructura regular y repetitiva.

Fig. 2.6.1: Distribución espacial, ordenada y repetitiva de átomos,

característica de un material en estado sólido.

Fuente: “INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE LA SOLDADURA”

– Carlos Fosca Pastor.

Esta configuración espacial tan homogénea de átomos recibe el nombre de

estructura cristalina. Por esta razón, un material sólido recibe el nombre de

material cristalino. La forma como se agrupan especialmente estos átomos puede

ser diferente de un material a otro para representarla se emplea la cantidad de

átomos mínima que se repite espacialmente de manera ordenada. Esta unidad

minima recibe el nombre de celda untaría y es la que caracteriza a la estructura

cristalina de un material sólido.

Resumiendo, podríamos decir que un material sólido es un material cristalino en

su interior. Este ordenamiento de los átomos no solo define el estado del material

sino también sus propiedades mecánicas.

Aunque la estructura cristalina define el estado sólido de los materiales, aquí nos

referiremos fundamentalmente a los metales. Los metales tienen estructuras


37

cristalinas simples que se pueden representar a través de tres ordenamientos

atómicos que reciben el nombre de:

Estructura cubica centrada en el cuerpo (CC).

Estructura cubica centrada en las caras (CCC).

Estructura hexagonal compacta (HC).

Los metales con estructura cúbica centrada en las caras (CCC), como el Au, Al,

Cu, Pb, son metales más dúctiles que los metales con estructura hexagonal

compacta (HC), como el Zn, Be, Mg, Ti, Co, Zr, y que los metales con estructura

cúbica centrada en el cuerpo (CC): Fe, Cr, Co, W, V, Mo, etc.

Al analizar el ordenamiento atómico de los metales, vemos que ellos forman

determinados tipos de estructuras cristalinas que se repiten de manera uniforme

en todo el material. Al observar al microscopio óptico una superficie pulida de un

metal nos es imposible observar los átomos, pues ellos son de tamaño sub-

microscópico. Lo que observamos es una superficie que representa a la

agrupación de millones de millones de estos átomos ordenados cristalinamente,

de la misma forma que observamos de lejos la arena como un manto uniforme y

que es, en realidad, la reunión homogénea de cientos de millones de partículas.

Al observar la superficie pulida (y atacada químicamente) de un metal,

observamos una imagen como la que se muestra en la figura siguiente, esta

imagen sorpresivamente se parece más a una pared de mosaicos irregulares que a

un manto uniforme como se había sugerido anteriormente.


38

Fig. 2.6.2: Metalografía en la que se observa los granos y los límites de

grano.



¿Qué ha ocurrido? Resulta que, en realidad, el perfecto ordenamiento atómico a

lo largo de todo el volumen de un metal no es del todo cierto. Existen zonas del

metal que no están ordenadas y que limitan a las regiones de material

perfectamente cristalinas. Las regiones que vemos como mosaicos de formas más

o menos equiaxiales se llaman “granos” y están constituidas por millones de esas

celdas unitarias que otorgaban ese carácter cristalino a los metales en estado

sólido. Cuando el metal está en estado líquido, no existe ordenamiento atómico;

pero cuando empieza a enfriarse y se producen los primeros puntos (núcleos) de

solidificación, éstos núcleos crecen en forma de granos, que van a encontrándose

con otros granos vecinos formando finalmente esta pared de mosaicos. Por lo

tanto, a las fronteras entre los granos (mosaicos) las llamamos límites de grano y

no poseen un ordenamiento atómico, pues son la interfase que debe garantizar

una buena cohesión entre los granos adyacentes (como el cemento que une cada

ladrillo en las paredes de nuestras casas). Para observar un metal al microscopio,

señalamos que la superficie debía estar pulida y atacada químicamente. La razón

de ello es que con el ataque químico se produce el relieve necesario que permite

los rayos de luz que inciden sobre la superficie se reflejen de manera más

dispersa, generando zonas más iluminadas que otras y permitiendo, con ello, la

observación de una imagen representativa de la microestructura del metal. Sin el


39

ataque químico, la superficie pulida reflejaría toda la luz de manera uniforme y

no veríamos más que una imagen totalmente blanca.

Un mismo metal puede presentar diversos tamaños de grano dependiendo de su

“historia térmica”, es decir, de cómo ha sido calentado y enfriado hasta la

temperatura ambiente. Una de las características que se tiene en los metales en

estado sólido a elevadas temperaturas es la tendencia al crecimiento de grano con

el tiempo y con el incremento de la temperatura. Por ejemplo, si tenemos una

barra de hierro que es calentada a 930°C durante 10 minutos, el hierro tendrá una

estructura cristalina con un tamaño de grano determinado. Si mantenemos la

misma barra durante dos horas a esa misma temperatura, el grano en promedio

habrá crecido.

Del mismo modo, si en vez de mantener durante diez minutos el hierro a 930°C,

lo calentamos a 960°C, el tamaño de grano de hierro será mayor. Esto nos hace

pensar que si elevamos mucho la temperatura de calentamiento o el tiempo de

exposición del metal a dicha temperatura, se puede provocar el crecimiento de

los granos cristalinos. Si luego este metal es enfriado hasta la temperatura

ambiente, su microestructura presentará un tamaño de grano proporcional a aquel

que tuvo a la mayor temperatura de calentamiento. Dado que las propiedades

mecánicas del metal están influenciadas por el tamaño de grano de su

microestructura, estas pueden ser perjudicadas por calentamientos excesivos del

metal.

Los aceros pueden tener contenidos de carbono de hasta 2.0%C, pero ¿qué ocurre

en el material cuando este tiene 0.2%C o cuando tiene 0.5%C? La cantidad de

carbono que contiene un acero tiene una enorme influencia en sus propiedades

mecánicas y determina prácticamente sus aplicaciones industriales.

Cada aleación Fe-C que tiene un %C diferente tiene una “personalidad interior”

muy particular. Para conocerla de una manera práctica, empleamos el diagrama

de equilibrio del sistema Fe-C, que sirve para conocer la fase o fases existentes


40

en una aleación que tiene una determinada composición química. Al igual que

ocurre con los metales alotrópicos, ciertas aleaciones pueden modificar sus fases

con la temperatura.

Una fase puede representar un estado de la materia (sólido, líquido, gaseoso);

pero también dentro del estado sólido, una fase es una agrupación homogénea de

materia, que contiene más de un elemento químico en su interior y posee una

estructura cristalina determinada.

En el diagrama Fe-C se observan varias transformaciones en estado sólido que

producen la formación de diferentes fases. Por ejemplo, el hierro con estructura

CC, que se llamaba Fe”α”, que admite en su estructura una cantidad de carbono

disuelto, forma una fase homogénea llamada “ferrita (α)”. Del mismo modo, el

Fe”γ” con carbono disuelto da lugar a una nueva fase llamada “austenita (γ)”.

Fig. 2.6.3 Diagrama Fe-C




41

Cuando observamos un acero al microscopio, podemos diferenciar claramente

cada fase presente en él. Por ello, la observación microscópica o “metalografía”

es una práctica común para el estudio de los metales y aleaciones. Por otro lado,

el acero no sólo está constituido por ferrita, austenita o ferrita delta; también

contiene otro constituyente que está siempre presente en él. Si, por ejemplo,

echamos pequeñas cantidades de azúcar en un vaso de agua, veremos que, luego

de mover un poco el agua, el azúcar desaparece en el líquido sin que éste último

experimente cambio visual aparente. Observando el vaso de agua con azúcar, no

identificamos nada más que ese líquido completamente homogéneo. Esto es

precisamente lo que se conoce como una fase. Por ello, una fase no solo es un

metal puro (o agua pura), también podemos tener como fases soluciones en

estado sólido (como el agua azucarada). La ferrita y la austenita, fases del acero,

son precisamente soluciones sólidas de hierro con carbono.

Visualmente es difícil que encontremos diferencias entre un vaso de agua pura y

uno de agua con azúcar disuelto en ella. De la misma forma, una solución sólida

de C en Fe “α” no podrá ser diferenciada al microscopio óptico del hierro puro

Fe “α”, pues ambas mostrarán una microestructura uniforme constituida por

granos.

Siguiendo con el ejemplo, si seguimos agregando más azúcar al agua, llegará un

momento en que ésta se sature de azúcar y no pueda disolver más; entonces, el

resto del azúcar no disuelta se precipitara depositándose en el fondo del vaso, en

estas condiciones, veremos claramente dos fases: una que será la solución de

agua azucarada y la otra que será las partículas de azúcar precipitadas en el

fondo.

Si llevamos esta observación al acero, veremos que si seguimos agregando

carbono al hierro, cuando éste se encuentra en estado líquido, llegará un

momento en que todo el carbono no podrá estar en solución en el hierro y se

precipitará, formando un compuesto químico llamado carburo de hierro (Fe3C),

conocido como “cementita”.


42

En resumen las fases sólidas presente sen el diagrama Fe-C son: ferrita, austenita,

ferrita delta y cementita como se muestra en la fig. 2.7.3.

Ferrita delta (δ)

Aparece a temperaturas superiores a 1495°C, donde se inicia la solidificación de

los aceros con carbono inferior al 0.50% y por encima de esa temperatura

coexiste en equilibrio con la fase líquida. Es una solución sólida intersticial de

carbono en hierro δ cúbico de cuerpo centrado (CC). La solubilidad de este hierro

por el carbono es muy escasa, alcanzando un máximo de 0.10%C a 1495°. La

reducida extensión del dominio de equilibrio de la solución δ, las elevadas

temperaturas a las que esta fase existe y la imposibilidad de retenerla en

equilibrio metaestable (cuasi estable) a la temperatura ambiente, incluso

mediante los temples más violentos, hacen que sea difícilmente observable y sus

propiedades escasamente conocidas. Para los aceros comunes (al carbono o de

baja aleación), esta fase no ejerce mayor influencia sobre las propiedades

mecánicas y tecnológicas del acero.

Austenita (γ)

Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro cúbico de caras centradas

(CCC). La solubilidad del hierro γ por el carbono alcanza a 1154°C un valor

máximo del 2.0%.

Aun cuando la austenita solamente se encuentra en equilibrio en los aceros a

temperaturas superiores a 910°C, se la puede retener a temperatura ambiente

mediante enfriamientos suficientemente energéticos, especialmente en los aceros

aleados. La austenita es la solución sólida Fe-C de mayor densidad. Su

conductividad eléctrica es aproximadamente una décima parte de la

conductividad de la ferrita y no es magnética.


43

Las características mecánicas de la austenita varían con el contenido de carbono.

El esfuerzo máximo de tracción (resistencia a la tracción) varía entre 88 y 105

Kg/mm2 y su dureza oscila alrededor de las 300 unidades Brinell (HB).

Los granos de austenita son de forma poliédrica, limitados por caras

relativamente planas, por lo que los límites de grano en el examen micrográfico

aparecen con forma poligonal.

La austenita puede existir en el acero hasta una temperatura de 723°C. Por debajo

de esta temperatura, es inestable y se transforma en ferrita y cementita.

Solamente en aceros altamente aleados es posible conseguir austenita a

temperatura ambiente, como es el caso de algunos aceros inoxidables.

Ferrita (α)

Es una solución sólida intersticial de carbono en hierro α cúbico de cuerpo

centrado (CC). La capacidad para disolver carbono en su estructura es muy

inferior que la de la austenita, pudiendo disolver sólo hasta 0.025%C a una

temperatura de 723°C.

La resistencia a la tracción de la ferrita es de unos 28 Kg/mm2 y su alargamiento

aproximado es de un 35%. Su dureza es de unas 90 unidades Brinell.

Comparando con las propiedades mecánicas de la austenita, podemos comprobar

que la ferrita es el constituyente más blando del acero.

La ferrita es estable en el acero hasta una temperatura de aproximadamente

911°C. por encima de ella, se transforma en austenita. Está presente en la

microestructura como una fase libre en aceros de hasta 0.8%C. Para mayores

contenidos de carbono, la ferritas se encuentra formando un constituyente

conocido como “perlita”, que agrupa láminas de ferrita y cementita, formando

agrupaciones (colonias) fácilmente identificables al microscopio.


44

Cementita

Es un compuesto químico constituido por hierro y carbono, de fórmula Fe3C y

con contenido en C igual a 6.67%. Cristaliza en el sistema ortorrómbico, que es

algo más complejo que los sistemas cúbicos de la austenita y la ferrita. La

cementita es el constituyente más duro de los aceros. Su dureza es del orden de

las 750 unidades Brinell o 68 Rockwell C. La cementita, a diferencia de la ferrita

y la austenita, es una fase que nunca está sola en el acero, sino que está siempre

acompañada de ferrita o austenita en la microestructura. Es decir, nunca

tendremos un acero que sea 100% de cementita, debido a que él %C máximo de

un acero es de 2.0%C y la cementita tiene 6.67%C.

Perlita

La perlita no es una fase como la ferrita, austenita o la cementita; sino un

agregado de dos fases ferrita y cementita, cuyas proporciones en peso son

respectivamente 88% y 12%. La perlita está constituida por láminas de ferrita y

de cementita que se forman una a continuación de la otra, adquiriendo un aspecto

laminar, el contenido medio en carbono de la perlita es de 0.8%C.

Un acero que tiene un contenido de 0.8%C y es calentado hasta austenizarlo

completamente (T>723°C), cuando se enfría muy lentamente hasta la

temperatura ambiente, presentará una microestructura constituida por ferrita y

cementita pero en la forma de perlita. Por lo tanto, la microestructura de un acero

de 0.8%C será 100% perlita.

La distancia media entre las láminas de la perlita depende de la velocidad de

enfriamiento desde la temperatura de austenización. En enfriamientos muy

lentos, esa distancia es máxima, del orden de 400 nm (1nm (nanómetro) = 10-9

m), y en estas condiciones la perlita se llama “gruesa”. En enfriamientos menos

lentos, la distancia es de unos 350 nm y la perlita se llama “media” o “normal”.


45

Con enfriamientos más rápidos (por ejemplo, el aire), la distancia entre las

láminas es del orden de los 250 nm y la perlita se llama “fina”. Debemos llamar

la atención sobre el significado de las palabras “gruesa”, “media” y “fina”

cuando se requieren a la perlita; éstas tan sólo designan la textura de la perlita o

distancia entre láminas, pero no pueden interpretarse como indicativas de un

tamaño de grano. La perlita, en realidad, no forma granos sino nódulos o

colonias. En general, se puede afirmar que estructuras perlíticas finas poseen

mejores propiedades mecánicas que aquellas denominadas “gruesas”.

La perlita también puede cambiar su morfología laminar y adquirir una forma

globular. Ello ocurre cuando la perlita se mantiene durante un periodo de tiempo

prolongado a temperatura muy próxima a 723°C, bien por arriba o por abajo; por

ejemplo, en los intervalos (723°C, 723°C +50°) o (723°C-50°, 723°C), la

cementita de la perlita globuliza. El mismo resultado se obtiene si durante un

tiempo suficiente se hace oscilar la temperatura de la perlita alrededor de 723°C.

Esta transformación morfológica (no hay transformaciones de fase) de la perlita

reduce la dureza y mejora la maquinabilidad de aceros con %C > 0.6.

Aun cuando el contenido de carbono de la perlita en estado de equilibrio es

siempre de 0.8%, las características mecánicas de este constituyente varían con

su textura, es decir, con su distancia interlaminar.

Debemos señalar que realmente la perlita no es la que globuliza, sino la

cementita que la constituye. En esas condiciones, la perlita pierde totalmente su

morfología característica laminar y se convierte en ferrita y cementita globular.

Los aceros de más de 0.6%C, al ser globulizados, pueden ser mecanizados sin

dificultad y, por ello, suele ser ésta la condición micro estructural de partida con

la que los aceros de más de 0.6%C son comercializados.

2.7 IMPERFECCIONES EN UNIONES SOLDADAS

Las imperfecciones son anomalías o irregularidades que se presentan en la unión

soldada.


46

Se consideran como defecto cuando su magnitud o localización puedan provocar

el fallo de la unión.

Las causas que puedan originar estas imperfecciones son, entre otras, una

inadecuada:

- Preparación, disposición o limpieza de las piezas a unir.

- Ejecución de la soldadura.

- Soldabilidad del metal base.

- Elección de los consumibles.

Los principales defectos que se producen en el soldeo por fusión están

clasificación de la norma UNE-EN ISO 6520-1 en los siguientes grupos:

- Grietas.

- Cavidades.

- Inclusiones sólidas, (gases, metal de aporte)

- Falta de fusión y de penetración.

- Imperfecciones de forma y dimensión.

- Otras imperfecciones.

Una soldadura con imperfecciones puede cumplir o no una norma, es decir podrá

ser aceptada o rechazada. Se aceptara si las dimensiones de sus defectos están

por debajo de lo establecido por la norma aplicable en función del nivel de

calidad considerado.

Las dimensiones máximas aceptables de las imperfecciones están recogidas en

las normas UNE-EN-ISO-5817:2009, en el caso de los aceros y en la UNE-EN-

ISO-10042 en el caso del aluminio y sus aleaciones soldables. Estas normas

establecen tres niveles de calidad, de moderado a elevado, de forma que cuando

mayor sea el nivel de calidad las imperfecciones admitidas serán de menores


47

dimensiones. Los niveles de calidad, en cada caso, deberán ser definidos por la

norma de aplicación (norma de diseño) o por la persona responsable junto con el

fabricante, usuario o cualquier otra persona involucrada. El nivel de calidad debe

ser especificado antes del comienzo de la producción.

Las dimensiones de las imperfecciones se establecen en función del espesor de

las piezas, de la garganta de la soldadura en ángulo o de alguna dimensión de la

soldadura como su anchura o la profundidad, de forma que las imperfecciones

pueden ser mayores cuanto mayores sean estas dimensiones, pero existiendo en

cualquier caso un máximo para cada imperfección de forma que aunque el

espesor de las pizas sea muy elevado no se pueda superar este valor.

La elección de nivel de calidad para cualquier aplicación debe tener en cuenta las

consideraciones de diseño, estados tensionales, condiciones de servicio y

consecuencias de fallo.

2.7.1 GRIETAS

Son el efecto de una rotura local incompleta.

Ningún código de diseño admite este tipo de defecto, ya que cuando la

construcción soldada se somete a la carga para la que ha sido diseñada la

grieta crecerá y provocará una rotura catastrófica.

Las grietas pueden estar localizadas en (ver figura 2.8.1)

• El metal base.

• La zona afectada térmicamente.

• La zona de unión entre la zona afectada térmicamente y cordón de soldadura,

es decir en el acuerdo de la soldadura.

• El cordón de soldadura.


48

• El cráter de soldadura.

Pueden ser paralelas al cordón de soldadura, denominándose longitudinales, o

pueden ser perpendiculares a éste, denominándose transversales. También

pueden aparecer en grupo en forma de estrella

Fig. 2.7.1: Grietas en Soldadura.


Herández Riesco.

Las causas de las grietas pueden ser:

- Soldar con excesiva intensidad.

- Enfriamiento rápido de la soldadura.

- Soldar con un embrida miento excesivo.

- Existir tensiones residuales en el metal base debido a los procesos previos de

fabricación.


49

- Mala secuencia de soldeo que provoque excesivas tenciones y deformaciones.

- Inadecuado e insuficiente material de aportación (electrodos, varillas,

alambres o gases de protección).

- Metal base de mala soldabilidad.

- Finalizar el cordón de soldadura retirando el electrodo de forma rápida y

brusca. En este caso se forman grietas de cráter.

2.7.2 CAVIDADES

Las sopladuras son cavidades formadas por inclusiones gaseosas.

Se puede distinguir los siguientes tipos:

Sopladuras de forma esférica que también se denominan poros.

Sopladuras vermiculares, es decir con forma de gusano que se forman al

escapar el gas cuando existe una alimentación continua de éste y la velocidad

de solidificación es muy rápida.

Las sopladuras y poros pueden disponerse de forma aislada, alineada o

agrupada, siendo menos perjudiciales los primeros que los agrupados o

alineados. También pueden ser superficiales, es decir abiertos a la superficie y

por lo tanto visibles (ver figura 2.7.2)

Si el cordón de soldadura presenta una ligera porosidad puede no representar

en la realidad un defecto grave, sobre todo si tienen forma esférica. Se

permiten, por lo tanto, poros y sopladuras en los códigos de construcción o en

las normas de calidad, limitándose sus dimensiones en función del nivel de

calidad requerido.


50

Fig. 2.7.2: Defectos Internos de una Soldadura.


Herández Riesco.

Fig. 2.7.3: Sopladuras y Poros.


Herández Riesco.


51

El diámetro máximo admitido de un poro aislado según la Norma Europea es

de un tercio del espesor de la pieza cuando se suelda a tope; nunca debe

superar los 3 mm, para el nivel elevado de la calidad, los poros superficiales

en el aluminio no pueden ser mayores a 1mm. Cuando el nivel de la calidad es

elevado o intermedio, no se aceptan las sopladuras vermiculares ya que son

las más peligrosas.

Las causas más probables de la existencia de los poros y sopladuras son:

- Falta de limpieza en los bordes de la unión, presencia de óxidos, pintura o

grasa.

- Intensidad excesiva.

- Revestimiento húmedo; emplear electrodos mal conservados, húmedos u

oxidados.

- Empleo de electrodos con el extremo desprovisto de recubrimiento.

- Condiciones atmosféricas desfavorables: excesivo viento.

- Mala técnica operatoria: soldar con el arco demasiado largo o con un ángulo

de desplazamiento muy grande.

- Equipo de soldeo en mal estado: fugas en el sistema de refrigeración.

- Gas de protección inadecuado o insuficiente.

2.7.3 INCLUSIONES SOLIDAS

Se presentan en la figura 2.7.2 pudiendo ser:

Inclusiones de Escoria, es decir residuos de revestimiento del electrodo o de

fundente, que han fundido y solidificado en la soldadura. Pueden presentarse

de forma aislada, alineada o agrupada.

Lo importante de este defecto depende del tamaño de la inclusión de escoria y

de la distancia que exista entre las inclusiones. Cuando el nivel de calidad es

exigido es elevado solo se admiten inclusiones menores de un tercio del

espesor de la soldadura, siempre que la longitud total de todas las inclusiones


52

existentes sea menor del 25% de la longitud de la soldadura y la dimensión de

cada inclusión sea menor del 0.3 veces del espesor del metal base o menor de

2mm, si son mayores no están admitidas.

Óxidos metálicos, aprisionados durante la solidificación, por ejemplo óxido

de aluminio.

Partículas de metal extrañas, aprisionadas en el metal fundido; puede ser de

volframio, u otro metal.

En ninguna caso se admite la inclusión de volframio ni de cobre. Las

inclusiones de óxidos normalmente se admiten.

Causas más probables:

Soldeo con intensidad muy baja en el caso de inclusiones de escoria, o con

intensidad demasiado alta para el caso de inclusiones de volframio en el

soldeo TIG (tan alta que funda el electrodo de volframio)

Contaminación del baño de fusión o de varilla por contacto con el electrodo

de volframio.

Mala preparación de la unión: poca separación entre las chapas o bisel con

ángulo pequeño.

Falta de limpieza de la escoria, sobre todo al realizar soldaduras de varias

pasadas.

Inclinación incorrecta del electrodo o inadecuado balanceo de éste.

Arco demasiado largo.

Protección deficiente del baño de soldadura, que favorece la aparición de

óxidos.


53

2.7.4 FALTA DE FUSION Y DE PENETRACION

2.7.4.1 FALTA DE FUSION

La falta de fusión es la falta de unión entre el metal base y el metal

depositado, o entre dos cordones consecutivos de metal depositado.

Es decir se produce una pegadura y no una verdadera unión.

Éste es un defecto muy peligroso por tanto normalmente no es aceptado,

cuando se aceptan sus dimensiones serán muy pequeñas.

Las causas más probables son:

Arco demasiado largo.

Intensidad baja.

Excesiva velocidad de desplazamiento.

Defectuosa preparación de bordes, por ejemplo bisel con ángulo muy

pequeño, una separación muy pequeña entre las chapas a unir o existencia de

una desalineación entre las piezas.

Posición del electrodo incorrecta, no centrada con respecto a los bordes de la

unión.

Soldar encima de un cordón que tiene un exceso de sobreespesor muy

grande.

Realizar empalmes defectuosos.

Fig. 2.7.4: Falta de Fusión


Herández Riesco.


54

2.7.4.2 FALTA DE PENETRACION

Es una falta de fusión en la zona que se conoce como raíz de la soldadura

(ver figura 2.7.5). En las soldaduras con penetración parcial se considera

falta de penetración cuando se obtienen penetraciones de dimensiones

menores a las especificadas o deseadas [ver figura 2.7.5 (B)].

Este tipo de imperfección es peligroso y solo se admite en los niveles de

calidad moderado e intermedio, cuando la falta de penetración tiene

dimensiones muy pequeñas. Nunca es admisible en los niveles de calidad

elevados.

Las causas más probables:

Baja intensidad de soldeo.

Separación en la raíz muy pequeña, ángulo del bisel demasiado pequeño o

talón de la raíz demasiado grande.

Electrodo de diámetro demasiado grande.

Des alineamiento entre las piezas.

Fig. 2.7.5: Falta de Penetración.


Herández Riesco.


55

2.7.5 IMPERFECCIONES DE FORMA Y DIMENSION

Son aquellas que afectan a la forma final del cordón de soldadura, bien en su

superficie o en su sección transversal. Se debe tener en cuenta que la

soldadura no es mejor cuanto mayor sea, si no cuanto más se parezca a la

especificada y cuanto más suavemente realice la transición entre las dos

piezas a unir. Como:

2.7.5.1 MORDEDURA

Una mordedura (ver figura 2.7.6) es una falta de metal, en forma de surco de

longitud variable, en cualquiera de los bordes de un cordón de soldadura y el

metal base o entre dos cordones.

Este defecto es tanto más grande cuanto mayor es su profundidad, se admite

las mordeduras poco profundas normalmente inferiores a 0.5mm.

Causas probables:

Electrodo demasiado grueso.

Excesiva intensidad de soldeo.

Posición incorrecta del electrodo.

Velocidad de desplazamiento elevada y falta de retención en los extremos.

.

Fig. 2.7.6: Mordedura y Soplamiento


Herández Riesco.


56

2.7.5.2 SOLAPAMIENTO

Exceso de metal depositado que rebosa la superficie del metal base sin

fundirse con él (ver figura 2.7.6.)

No se permite en los dos niveles de calidad más elevados.

2.7.5.3 SOBREESPESOR EXCESIVO

Es un exceso de metal depositado en las pasadas finales (ver figura 2.7.7.)

Puede ser debido a:

Poca velocidad de soldeo.

Poca separación entre las chapas a unir a tope.

El sobreespesor podrá ser mayor cuanto más grande sea el ancho del cordón,

normalmente deberá tener una dimensión de 1 a 3mm no debiendo superar

los 5mm.

Fig. 2.7.7. Sobreespesor Excesivo


Herández Riesco.


57

2.7.5.4 EXCESO DE PENETRACION

Es un exceso de metal depositado en la raíz de una soldadura, normalmente

se suelda por un solo lado (ver figura 2.7.8).

Si el exceso de penetración se presenta en la parte interior de una tubería

puede ser muy perjudicial.

Se produce por:

Separación excesiva de los bordes.

Intensidad demasiado elevada al depositar el cordón de raíz.

Velocidad muy baja de soldeo

Diseño de unión defectuoso con preparación incorrecta del talón.

El exceso de penetración debe ser generalmente de 1 a 2 mm no debiendo

superar nunca los 3mm.

Fig. 2.7.8. Exceso de Penetración.


Herández Riesco.

2.7.5.5 ANGULO DE ACUERDO INCORRECTO

Valor pequeño del ángulo α mostrado en la figura 2.7.9, donde se puede

observar la transición entre el metal de soldadura y el metal base se realiza

de una forma muy brusca cuando el ángulo α es pequeño, actuando como

una entalla donde se concentrarán los esfuerzos cuando la pieza esté en

servicio lo que favorecerá la formación de una grieta.


58

Fig. 2.7.9: Angulo de Sobreespesor Incorrecto.


Herández Riesco

2.7.5.6 FALTA DE ALINEACION O DEFORMACION ANGULAR

Es una falta de alineación de las dos piezas soldadas que no se encuentran en

el mismo plano, se puede ver en la figura 2.7.10.

Fig. 2.7.10. (A) Falta de Alineación. (B) Deformación Angular


Herández Riesco.

Se suelen admitir desalineaciones menores de la décima parte del espesor de

la chapa.

2.7.5.7 FALTA DE METAL DE SOLDADURA

Canal longitudinal continuo o discontinuo en la superficie de la soldadura

debido a una insuficiente deposición del metal de aportación (ver figura

2.7.11).

Se debe a:


59

Excesiva velocidad de soldeo.

Separación entre las chapas muy elevada.

Cuando se produce por desplazamiento del metal depositado debido a su

propio peso se denomina desfondamiento. Se permiten faltas de material

entre 0.5 y 1mm.

Fig. 2.7.11. Falta de Metal de Soldadura

Fuente: “TECNOLOGÍA DE INSPECCIÓN DE SOLDADURA” –

Pontificia Universidad Católica del Perú.

2.7.5.8 PERFORACIÓN

Hundimiento del baño de fusión que da lugar a un agujero en la soldadura o

en un lateral de la misma. No se permiten.

2.7.5.9 RECHUPE

Los rechupes son cavidades debidos a la contracción del metal durante su

solidificación, pueden formarse, entre otros sitios, en el cráter de soldadura,

denominándose rechupes de cráter. Su origen se debe a:

Soldar con intensidad excesiva.

Interrumpir bruscamente el arco.


60

También se pueden formar en la raíz denominándose entonces rechupes de

raíz (ver figuras 2.7.11 y 2.7.12)

El rechupe deberá ser mayor de 0.5 a 1mm aproximadamente.

Fig. 2.7.12 Rechupe de Raíz



2.7.5.10 EXCESO DE ASIMETRIA EN LA SOLDADURA EN ÁNGULO

Se produce por realizar las soldaduras disponiendo el metal de aporte de

forma asimétrica respecto a las piezas (ver figura 2.7.13.).

Fig. 2.7.13. Exceso de Asimetría




61

2.7.5.11 ANCHURA IRREGULAR Y SUPERFICIE IRREGULAR

Soldadura con anchura diferente en distintas partes de la soldadura o con

excesiva rugosidad superficial.

2.7.5.12 EMPALME DEFECTUOSO

Irregularidad local de la superficie de la soldadura en la zona de empalme de

dos cordones.

No se permite más que en el nivel de calidad más bajo.

2.7.6 OTRAS IMPERFECCIONES

2.7.6.1 CEBADO DE ARCO

Alteración local de la superficie del metal base a consecuencia del cebado

del arco fuera de los bordes de la unión.

No se permite. Hay que cebar el arco en la preparación del cordón, en la

zona que todavía no ha sido soldada. Un cebado de arco en el metal base

puede constituir un conjunto de grietas de pequeño tamaño que crecerán

durante el funcionamiento en servicio de la pieza.

2.7.6.2 SALPICADURAS O PROYECCIONES

Gotas de metal fundido proyectado durante el soldeo que se adhieren sobre

el metal base, o sobre el metal de soldadura, ya solidificado.

La aceptación depende de las aplicaciones.

2.7.6.3 DESGARRE LOCAL

Superficie deteriorada al eliminar los elementos auxiliares de montaje.

No se permiten.

2.7.6.4 MARCA DE AMOLADO O BURILADO

Deterioro local debido al amolado o burilado.


62

No se suele permitir si toca cordón.

2.7.6.5 AMOLADO EXCESIVO

Reducción del espesor debido a un amolado excesivo.

No se permite.

2.7.7 CONCECUENCIAS DE LAS IMPERFECCIONES EN LAS

SOLDADURAS

Mala calidad de la estructura soldada y por tanto posible rotura de la misma.

Mayor tiempo invertido (al tener que reparar).

Mayor coste (por la reparación o rechazo y demora en el plazo de entrega).

Cuando las imperfecciones sean superiores a las indicadas por la norma se

rechazará la pieza. Si lo permite el código o norma de diseño aplicable se

resanará el cordón y se volverá a soldar.

El soldador corregirá (y no tapará) cualquier imperfección que detecte durante

el soldeo empleando los útiles adecuados, o variando los parámetros de

soldeo.

2.7.8 DISCONTINUIDADES TIPICAS EN BASE AL PROCESO DE

SOLDADURA POR ARCO EN ORDEN DECRECIENTE DE

OCURRENCIA

2.7.8.1 PROCESO SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

Orden decreciente de ocurrencia:

Inclusión de escoria.

Porosidad.

Falta de fusión.

Falta de penetración.


63

2.7.8.2 PROCESO SAW (Submerged Arc Welding)



Porosidad.

Falta de fusión.


2.7.8.3 PROCESO GMAW (Gas Metal Arc Welding)


Porosidad.

Falta de fusión.


2.7.8.4 PROCESO GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)


Inclusión de tungsteno.

Porosidad.

2.7.8.5 PROCESO FCAW (Flux – Cored Arc Welding)



Porosidad.

Falta de fusión.



64

2.8 CONTROL DE CALIDAD EN LAS CONSTRUCCIONES SOLDADAS

2.8.1 DEFINICION E IMPORTANCIA DE LA INSPECCION DE LAS

CONSTRUCCIONES SOLDADAS

La inspección de construcciones soldadas podría definirse como el conjunto

de actividades encaminadas a asegurar un determinado grado de fiabilidad de

un conjunto soldado, mediante la verificación del mismo por medios

adecuados durante diferentes fases del proceso

La importancia de esta inspección se desprende de la responsabilidad de los

equipos y construcciones que actualmente se fabrican por soldeo, los cuales,

en determinadas condiciones de fallo, afectan seria y directa mente a la

seguridad pública. Ejemplo de esto son: aviones, buques, trenes, plantas

generadoras de energía (térmicas, hidroeléctricas, nucleares), complejos

petroquímicos y transformadores de energía, puentes, estructuras metálicas,

conducciones y transporte de gases y líquidos, etc.

El convencimiento de la importancia de inspeccionar estos conjuntos

soldados, ha sido la causa de que, en todos los países industrializados, se

hayan publicado códigos, especificaciones y normas relativos a su

construcción e inspección.

Además, en la mayoría de dichos países, es la propia administración la que

establece la obligatoriedad de construir e inspeccionar siguiendo unas

determinadas normas, así como el personal que la ejecute.

2.8.2 CONTROL DE CALIDAD DE LAS UNIONES SOLDADAS

La inspección de construcciones soldadas podría definirse como el conjunto

de actividades encaminadas a asegurar un determinado grado de fiabilidad de

un conjunto soldado, mediante la verificación del mismo por medios

adecuados durante diferentes fases del proceso productivo.


65

La importancia de esta inspección se desprende de la responsabilidad de los

equipos y construcciones que actualmente se fabrican por soldadura, los

cuales, en determinadas condiciones de fallo, afectan seria y directamente a la

seguridad pública. Ejemplo de estos son: Aviones, buques, trenes, plantas

generadoras de energía (térmicas, hidroeléctricas y nucleares), complejos

petroquímicos y transformadores de energía, puentes, estructuras metálicas,

conducciones y transporte de gases y líquidos, etc.

El convencimiento de la importancia de inspeccionar estos conjuntos

soldados, ha sido la causa de que, en todos los países industrializados se hayan

publicado códigos, especificaciones y normas relativos a su construcción e

inspección. Además, en la mayoría de dichos países, es la propia

administración la que establece la obligatoriedad de construir e inspeccionar

siguiendo unas determinadas normas, así como que el personal que la ejecute

tenga unos conocimientos y experiencia mínimos. Al mismo tiempo, la

industria también se ha hecho eco de esta necesidad, casi se puede decir que

no existe una empresa industrial competitiva que no disponga de normas o

instrucciones propias, estableciendo las bases de fabricación e inspección

necesarias para que los conjuntos o equipos por ella fabricados, cumplan los

requisitos de seguridad que los organismos, nacionales e internacionales, fijan

para el buen comportamiento en servicio de las construcciones soldadas.

2.9 INSPECCIÓN DE SOLDADURAS.

Se entiende por inspección de soldaduras a las diferentes acciones que se realizan

con el fin de constatar que el proceso en cuestión se efectúa con la calidad

adecuada.

En estas acciones están involucrados personal y materiales, por lo tanto es

necesario conocer cada uno de los factores que afectan la calidad de la soldadura,


66

a fin de evitar la posible aparición de defectos y en el caso de que éstos se

produzcan poder detectarlos y dar pautas para la corrección de los mismos. De

estos factores el personal es el más importante.

2.9.1 INSPECTOR DE SOLDADURA

Es el encargado de constatar que todas las operaciones del proceso se realicen

correctamente y de acuerdo a los Códigos, Normas, Especificaciones y

Procedimientos que se estén aplicando con el fin de garantizar la alta calidad

de la soldadura sin demora en la fabricación y la entrega de productos.

Podríamos decir que su responsabilidad es la de juzgar la calidad del producto

en relación a una especificación escrita.

Funciona como un representante judicial de la organización que representa, la

cual puede ser el fabricante, comprador o cliente, una compañía de seguros o

una agencia gubernamental.

Los inspectores de soldadura pueden ser clasificados en varias categorías:

inspectores gubernamentales, de Ensayos No Destructivos, representantes del

fabricante o del dueño, o autorizados por un código en particular como sucede

por ejemplo con los inspectores ASME.

Sin embargo para efectos prácticos AWS y ASME dividen a los inspectores

de soldaduras en dos categorías generales:

Inspectores de control de calidad del Fabricante:

El cual realiza la inspección antes y durante el ensamblado; antes y después de

la soldadura, con el fin de asegurar que los materiales y el proceso de

fabricación cumplen con todos los requisitos especificados en el contrato.

Estos son inspectores calificados y que trabajan para el contratista.


67

Inspectores de aseguramiento de calidad del cliente o Código: Representan

al comprador (código, actividad gubernamental, o cualquier organización

externa al fabricante). Sus deberes normalmente no incluyen vigilancia

obligatoria del desarrollo del proceso de soldar, sin embargo tiene el derecho

de observar el proceso de producción. Su trabajo es como una función de

auditoria, lo cual implica revisión de los registros para asegurar que se han

respetado todos los requerimientos de las especificaciones, dibujos y otros

documentos contractuales. Esto incluye, pero no limita a revisión del proceso

de soldar, calificación de soldadores y operadores de máquina, pre y post-

calentamiento, informes de ensayos no destructivos.

Ambos tipos de inspectores deben tener la habilidad para negociar y

comunicarse efectivamente con todos los niveles de mando de la organización

del fabricante y de su propia organización.

Para llegar a ser un Inspector de Soldadura, se deben cumplir los siguientes

requisitos:

Debe gozar de buena condición física, ya que con frecuencia las condiciones

de inspección son difíciles.

Tener una buena visión, indispensables para la inspección visual,

interpretación radiográfica y de otros ensayos no destructivos.

Tener actitud profesional: hacer cumplir los códigos y tener buenas relaciones

con el resto del personal.

Tener conocimientos de soldadura: debe conocer sobre el proceso ya que éste

define el tipo de discontinuidad a originarse, las variables esenciales de cada

proceso y debe monitorear las mismas durante la fase de construcción como

especifique el código.


68

Debe conocer de Dibujo, Especificaciones y Procedimientos e interpretarlos

correctamente. Debe conocer los símbolos de soldadura y ensayos no

destructivos.

Saber de métodos de ensayo, sus aplicaciones, limitaciones e interpretación de

resultados. El método seleccionado debe suministrar la información adecuada

para compararlo a los estándares de aceptación establecidos.

Tener habilidad para llevar registros y hacer informes escritos, concisos,

claros y completos.

Los registros deben incluir los resultados de la inspección y ensayos, los

registros del procedimiento de soldadura, de calificación de soldadura y de

control de materiales de soldadura.

Experiencia en Soldadura: la experiencia como soldador u operador de

máquina es invaluable para un inspector, algunos empleadores solicitan como

requisitos que los inspectores tengan experiencia previa soldando.

Entrenamiento en Ingeniería de Soldadura y Metalurgia: es deseable, sin

embargo la práctica ha demostrado que la experiencia en campo y el estudio

han desarrollado excelentes inspectores con conocimientos equivalentes a los

primeros. Lo esencial es que conozca donde se encuentra la información

relevante y sepa cómo interpretarla.

Resumiendo y dado que la inspección involucra diferentes disciplinas es

necesario que el inspector se encuentre entrenado en las siguientes áreas:

Principios fundamentales de Soldadura.


69

Propiedades base de los materiales involucrados en el proceso: metal base,

aporte, etc.

Defectos de soldadura, sus causas, importancias y corrección de los mismos.

Tratamientos Térmicos.

Métodos de ensayos destructivos y no destructivos.

Interpretación de planos.

Simbología de soldadura y ensayos no destructivos.

Códigos: AWS, ASME, API.

2.9.2 RESPONSABILIDADES DEL INSPECTOR DE SOLDADURAS:

Existen responsabilidades del inspector de soldaduras en las diferentes etapas

del proceso, como son:

- Antes de la soldadura

- Durante la soldadura

- Después de la soldadura.

Previo al inicio de la inspección al inspector debe suministrársele copia de las

especificaciones del comprador y dibujos adecuados. Estas deben incluir

requerimientos sobre especificaciones del procedimiento de soldadura y la

calificación de dichos procedimientos, de los soldadores y operadores de

soldadura. Además, estas especificaciones deben definir el número, tipo y


70

tamaño de discontinuidades o imperfecciones permitidas en la pieza, así

mismo los métodos de inspección a emplearse.

El inspector debe asumir que el diseño de la soldadura es adecuado para los

propósitos del trabajo, pero debe verificar que el mismo permite efectuar las

diferentes operaciones en cuanto a acceso y con la calidad adecuada; debe

conocer sobre planos, dibujos, simbología, normas, etc., con el fin de verificar

que la preparación de juntas, el proceso y la aplicación de la soldadura están

de acuerdo al procedimiento.

Responsabilidades del inspector antes de la soldadura:

- La planta o taller donde se realiza el trabajo: Realizar inspección para verificar

que se trabaja conforme a códigos, Estándares y Especificaciones. Interpretar

los dibujos y especificaciones del trabajo.

- Equipo de soldadura: Preparar un reporte de operatividad, calibración y

condiciones de seguridad. Verificar si es apropiado para el trabajo y cumple

con los requisitos de las especificaciones del proceso de soldadura.

- Material base: Verificar si está conforme con los requerimientos de las

especificaciones del trabajo. Verificar si los documentos de compra están

conforme con los requerimientos de las especificaciones de trabajo. Si fue

recibido de acuerdo a los documentos de compra; y preparar y recibir

informes de inspección del material base.

- Materiales de aporte (electrodos) y fundentes: Verificar si está conforme con

los requerimientos de las especificaciones del trabajo, si los documentos de

compra están conforme con los requerimientos de las especificaciones del


71

trabajo, si fue recibido de acuerdo a los documentos de compra. Preparar y

recibir informes del metal de aporte.

- Atmósfera utilizada para la protección del baño

- Procedimientos de soldadura: Verificar si han sido calificados apropiadamente

y los documentos de calificación están de acuerdo a los códigos, estándares y

especificaciones que se estén aplicando y en caso de que no sea así requerir la

recalificación del mismo. Verificar que la preparación de las juntas y los

bordes estén conformes a los procedimientos y dibujos.

- Soldadores y operadores de equipos: Verificar que las pruebas de calificación

de los soldadores y operadores de máquina fueron realizadas y que tanto ellas

como los documentos de calificación estén de acuerdo a los códigos,

estándares y especificaciones que se están aplicando. Verificar que la

calificación este de acuerdo y sea apropiada al procedimiento especificado

para el trabajo que esté asignado. Requerir calificación si hay evidencia de

que no está calificado para realizar la soldadura conforme con los

requerimientos del trabajo.

Responsabilidades del inspector durante de la soldadura:

- Verificar que solamente se estén usando los procedimientos de soldadura que

fueron aprobados para el trabajo.

- Verificar que el precalentamiento, cuando sea necesario, se realiza de acuerdo

al procedimiento.

- Observar y asegurar que la soldadura se realiza conforme al procedimiento

aprobado.


72

- Verificar que la soldadura sea realizada por un operador calificado.

Responsabilidades del inspector después de la soldadura:

- Sistema de marcado e identificación: Se debe emplear un sistema que sea

claro e indique cuáles son las porciones a inspeccionar y el tipo de inspección

a aplicar.

- Ensayos No Destructivos: Seleccionar la soldadura a inspeccionar por ensayos

no destructivos (END), verificar que el END ha sido documentado

apropiadamente de acuerdo al código, estándar y Especificación aplicable,

verificar que los procedimientos de END han sido aprobados para su uso,

hacer inspección visual de acuerdo con el plan de inspección y el

procedimiento de inspección aplicable, preparar los informes de resultados de

los ensayos no destructivos y revisar, evaluar y verificar los reportes de END

contra los estándares de aceptación aplicables.

- Ensayos Mecánicos: Seleccionar las zonas para toma de las probetas para los

ensayos, verificar si los procedimientos de ensayo han sido aprobados,

verificar si las muestras de soldadura fueron tomadas de acuerdo al código,

estándar y especificación aplicable, ejecutar e interpretar los ensayos

macrográficos de las juntas soldadas, prepara los informes de los resultados de

los ensayos mecánicos y revisar, evaluar y verificar los resultados de los

ensayos mecánicos contra los requerimientos especificados.

- Tratamientos Térmicos post-soldadura: Verificar, cuando éste sea necesario,

que se realice de acuerdo al procedimiento.


73

- Informes: Preparar y archivar los informes de inspección, haciendo una

verificación del trabajo inspeccionado, revisar los informes de inspección para

exactitud y competencia, revisar los informes de inspección en el caso de

problemas y proponer acciones correctivas para prevenir su repetición,

preparar documentos de reparación del metal base y de la soldadura, y

preparar informes de avance e informe final.

Además del inspector, en el proceso de soldadura están involucrados:

Ingenieros de diseño, Ingenieros de soldadura, Supervisores de Taller o

Planta, Soldadores, Operadores de Máquinas de Soldar, Inspectores de

ensayos no destructivos.

El inspector de soldadura debe conocer las funciones que desempeñan cada

una de estas personas, así como la capacidad del personal así como la

capacidad del personal responsable de todas y cada una de las etapas del

proceso ya que el éxito del mismo depende de la habilidad destreza e

integridad de las personas que lo ejecutan.

2.10 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Los Ensayos no Destructivos, Conocidos de forma general por las siglas END,

son un campo de la ingeniería que se desarrolla rápidamente. Las técnicas como

la digitalización de imágenes, la radiografía por neutrones, el electromagnetismo,

la termografía o la emisión acústica, que eran relativamente desconocidas hasta

hace pocos años, se han convertido en herramientas de uso cotidiano en las

industrias que desean mantenerse en la vanguardia del mercado con sus

productos. En la fabricación y/o construcción de componentes, sub ensambles,

equipos e instalaciones, intervienen una serie de actividades cuya finalidad está

bien definida o delimitada; éstas son principalmente: el diseño, la fabricación o

construcción, el montaje o instalación y finalmente la inspección y las pruebas.


74

El desarrollo de nuevas tecnologías y la optimización de los productos o los

requisitos de seguridad, como es el caso de la industria aeroespacial, la

nucleoeléctrica o la petroquímica, impusieron también nuevas condiciones de

inspección, en las cuales se estableció la necesidad de verificar hasta en un 100%

los componentes críticos; lo que planteo una severa dificultad a los

departamentos de calidad y a los de seguridad industrial hasta que iniciaron el

empleo de técnicas de inspección no destructiva, con las cuales se medía la

integridad de los componentes sin dañarlos o alterarlos. Esto fue posible al medir

alguna otra propiedad física del material y que estuviera relacionada con las

características críticas del componente sujeto a inspección. Actualmente la

aplicación de las pruebas no destructivas es una actividad común en casi todos

los sectores industriales.

2.10.1 DEFINICIÓN DE LAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS

Las pruebas no destructivas son la aplicación de métodos físicos indirectos,

como es la transmisión del sonido, la opacidad al paso de la radiación, etc., y

que tienen la finalidad de verificar la sanidad o la homogeneidad de las piezas

examinadas. Cuando se aplica este tipo de pruebas no se busca determinar las

propiedades físicas inherentes de las piezas (resistencia a la tensión, dureza o

maleabilidad) o la composición química; sino verificar su homogeneidad y

continuidad. Por lo tanto, estas pruebas no sustituyen a los ensayos

destructivos. Las pruebas no destructivas, como su nombre lo indica, no

alteran de forma permanente las propiedades físicas, químicas, mecánicas o

dimensionales de un material. Por ello no inutilizan las piezas que son

sometidas a los ensayos y tampoco afectan de forma permanente las

propiedades de los materiales que las componen. De acuerdo con su

aplicación, los Ensayos no Destructivos, nombre más comúnmente usado para

las pruebas no destructivas, se dividen en: • Técnicas de Inspección

Superficial. • Técnicas de Inspección Volumétrica. • Técnicas de Inspección

de la Integridad o hermeticidad.


75

Mediante éstas sólo se comprueba la integridad superficial de un material. Por

tal razón su aplicación es conveniente cuando es necesario detectar

discontinuidades que están en la superficie, pudiendo estar abiertas a ésta o a

una profundidad no mayor de 3 mm. Este tipo de inspección se realiza por

medio de cualquiera de los siguientes Ensayos no Destructivos: técnica

Técnica Siglas en inglés

Inspección Visual VT

Líquidos Penetrantes PT

Partículas Magnéticas MT

Electromagnetismo ET

2.10.2 TÉCNICAS DE INSPECCIÓN VOLUMÉTRICA.

Su aplicación permite conocer la integridad de un material en su espesor y

detectar discontinuidades internas que no son visibles en la superficie de la

pieza. Este tipo de inspección se realiza por medio de cualquiera de los

siguientes ensayos:

Técnica Siglas en inglés

Radiografía Industrial RT

Ultrasonido Industrial UT

Radiografía Neutrónica NT

Emisión Acústica AET


76

2.10.3 APLICACIONES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Los Ensayos no Destructivos pueden ser usados en cualquier paso de un

proceso productivo, pudiendo aplicarse por ejemplo: Durante la recepción de

las materias primas que llegan al almacén; para comprobar la homogeneidad,

la composición química y evaluar ciertas propiedades mecánicas. Durante los

diferentes pasos de un proceso de fabricación; para comprobar si el

componente está libre de defectos que pueden producirse por un mal

maquinado, un tratamiento térmico incorrecto o una soldadura mal aplicada.

En la inspección final o de liberación de productos terminados; para garantizar

al usuario que la pieza cumple o supera sus requisitos de aceptación; que la

parte es del material que se había prometido o que la parte o componente

cumplirá de manera satisfactoria la función para la que fue creada. En la

inspección y comprobación de partes y componentes que se encuentran en

servicio; para verificar que todavía pueden ser empleados de forma segura;

para conocer el tiempo de vida remanente o mejor aún, para programar

adecuadamente los paros de mantenimiento y no afectar el proceso

productivo. Este tipo de inspección es muy rentable cuando se inspeccionan

partes o componentes críticos, en los procesos de fabricación controlada o en

la producción de piezas en gran escala.

2.10.4 VENTAJAS DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

La primera ventaja es que en la mayoría de las técnicas son rápidos de aplicar

y se obtienen resultados repetitivos y reproducibles por lo que se pueden

emplear en el control automatizado de los procesos de fabricación (inspección

“on line”). Debido a que medimos propiedades físicas indirectas, los ensayos

no destructivos no dañan al material que se está inspeccionando. Actualmente

hay una amplia variedad de pruebas no destructivas que no son intrusitas por

lo que se pueden aplicar en componentes que esté operando sin necesidad de


77

detener la producción. Cuando se aplican correctamente y de forma adecuada

reducen costos de proceso o los tiempos de reparación.

2.10.5 LIMITACIONES DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

La primera limitación a la que se enfrentan los usuarios de este tipo de

pruebas es que en algunos casos la inversión inicial es alta, pero puede ser

justificada si se analiza correctamente la relación costo-beneficio,

especialmente en lo referente a tiempos muertos en las líneas productivas. Un

ejemplo de esto es que los END aplicados por la industria norteamericana sólo

representan el 0.03% del precio al consumidor de un producto tan caro y

delicado como son las partes aeronáuticas o los componentes nucleares. Se

requiere que el personal que los realice haya sido debidamente capacitado y

calificado y que cuente con la experiencia necesaria a fin de que se interpreten

y evalúen correctamente los resultados y se evite el desperdicio de material o

las pérdidas de tiempo por sobre inspección.

Otra limitación es que la propiedad física a controlar es medida de forma

indirecta; adicionalmente, es evaluada cualitativamente o por comparación.

Esta limitante puede ser superada si se preparan patrones de comparación o

referencia que permitan una calibración correcta de los sistemas de

inspección. Cuando no existen procedimientos de inspección debidamente

preparados y calificados o cuando no se cuenta con patrones de referencia o

calibración adecuados, una misma indicación puede ser interpretada y

ponderada de forma diferente por dos o más inspectores.

2.10.6 BENEFICIOS DEL EMPLEO DE LOS ENSAYOS NO

DESTRUCTIVOS

Antes de mencionar los beneficios de la aplicación de los END, es

conveniente aclarar que éstos sólo deben ser parte de un buen programa de

aseguramiento de calidad y que la información que de ellos se obtenga, si no


78

es analizada y aplicada en medidas de tipo preventivo para evitar la repetición

de los problemas, no reducirá los costos de producción o de mantenimiento y

aumentarían los costos de inspección. El primer beneficio que se puede

observar es que aplicar correctamente los Ensayos no Destructivos y

combinarlos con un buen análisis estadístico contribuye a mejorar el control

del proceso de fabricación de una parte, componente o servicio. También

ayudan a mejorar la productividad de una planta, al prevenir paros imprevistos

por falla de un componente crítico; además de ayudar a programar los planes

de mantenimiento, lo que reduce el tiempo y el costo de la reparación. Debido

a que no se alteran las propiedades del material y por lo tanto no existen

desperdicios, con el empleo de los Ensayos no Destructivos sólo hay pérdidas

cuando se detectan piezas defectuosas. También es importante mencionar que

estos métodos, cuando se aplican como parte de la inspección preventiva

reducen notablemente los costos de reparación o reproceso, pero sobre todo

ayudan a ahorrar tiempo y recursos que de otra forma se desperdiciarán en una

pieza que finalmente puede tener un costo de producción muy superior al

presupuestado. Actualmente en los países desarrollados, la combinación de la

inspección no destructiva con otras actividades del programa de

aseguramiento de calidad ayuda a mantener un nivel de calidad uniforme en el

producto final, lo que mejora la competitividad de sus productos en el

mercado nacional e internacional. Otro beneficio que normalmente no

contemplan muchas empresas es que al emplear los END como una

herramienta auxiliar del mantenimiento industrial, se tiene una mejor

evaluación de las partes y componentes en servicio; lo que permite optimizar

la planeación del mantenimiento correctivo. La aplicación de los END en la

industria norteamericana evita pérdidas del orden de 2% del PIB de ese país.

Actualmente en la fabricación de bienes de capital de servicio especializado,

la aplicación de los ensayos no destructivos puede ser requerida por un

contrato o por los códigos y regulaciones nacionales o internacionales

aplicables al producto; por lo que la empresa que cuente con un sistema de


79

inspección no destructiva podrá cumplir más fácilmente requisitos de calidad

más estrictos.

2.10.7 SELECCIÓN DEL ENSAYO NO DESTRUCTIVO ADECUADO

Si bien las pruebas de un grupo pueden ser intercambiadas para aumentar la

velocidad de la inspección o aumentar la sensibilidad en la detección de

discontinuidades, no es recomendable sustituir las pruebas de un grupo con las

de otro. Por ejemplo, las pruebas de Inspección Volumétrica tienen

limitaciones cuando se intenta encontrar defectos cercanos a la superficie,

como es el caso del campo muerto del haz ultrasónico o la falta de definición

(penumbra) en una radiografía. Por otra parte las partículas magnéticas o el

electromagnetismo tienen grandes limitaciones en cuanto a su sensibilidad

cuando aumenta el espesor de la muestra que se inspecciona, ya que la

intensidad del campo magnético generado o la corriente inducida decrecen de

forma cuadrática o exponencial con la profundidad, representada por el

espesor del material. En el caso de las pruebas de hermeticidad estas no

sustituyen de modo alguno a las demás, ya que tan sólo aseguran que un

recipiente pueda contener un fluido sin que existan pérdidas apreciables del

mismo; por lo que muy posiblemente en una primera prueba el recipiente pase

con éxito; pero de existir un defecto no detectado con anterioridad por los

demás ensayos, al paso del tiempo éste podría tener tendencia al crecimiento

hasta convertirse en una falla del material del recipiente, con consecuencias tal

vez desastrosas y la posible pérdida no sólo de bienes materiales, sino también

de vidas humanas. Finalmente, para efectuar una aplicación correcta de los

ensayos no destructivos, debe seleccionarse previamente con un esquema a

seguir para capacitar, calificar y certificar al personal que realiza este tipo de

inspecciones. Dicha actividad es importante, ya que no basta contar con el

equipo adecuado si no se cuenta con un personal debidamente preparado para

operarlo y que pueda obtener resultados confiables, reproducibles y


80

repetitivos. Por lo antes mencionado es conveniente comprender que la

capacitación del personal que realiza las inspecciones es una inversión a corto

plazo y que evitará la sobre inspección, el desperdicio de materiales o la

inadecuada aplicación de los equipos de inspección.

2.10.8 TÉCNICAS DE INSPECCIÓN SUPERFICIAL.

Como se mencionó al inicio son aquéllas en la que sólo se comprueba la

integridad superficial de un material y con las que se detectan

discontinuidades que están abiertas a la superficie o a profundidades menores

de 3 mm. Los métodos de Inspección Superficial por lo general se aplican en

combinación, ya que la inspección visual y los líquidos penetrantes detectarán

cualquier discontinuidad abierta a la superficie, pero las partículas magnéticas

y el electromagnetismo detectarán discontinuidades subsuperficiales, siempre

y cuando no sean profundas. Las técnicas de Inspección Superficial que más

frecuentemente se emplean son:

2.10.9 INSPECCIÓN VISUAL.

Esta es una técnica que requiere de una gran cantidad de información acerca

de las características de la pieza a ser examinada, para una interpretación

acertada de las posibles indicaciones. Está ampliamente demostrado que

cuando se aplica correctamente como inspección preventiva, detecta

problemas que pudieran ser mayores en los pasos subsecuentes de producción

o durante el servicio de la pieza. Aun cuando para ciertas aplicaciones no es

recomendable. Una persona con "ojo entrenado" es alguien que ha aprendido a

ver las cosas en detalle. Al principio todos asumimos que es fácil adquirir esta

habilidad; sin embargo, requiere de ardua preparación y experiencia.


81

2.10.9.1 REQUISITOS DE LA INSPECCIÓN VISUAL

Un requisito para los individuos que realizan o se seleccionan para realizar la

Inspección Visual es un examen de la agudeza visual cercana y lejana cada 6

ó 12 meses y de ser necesario por prescripción médica el uso de lentes por

parte del Inspector, éste deberá emplearlos para toda labor de inspección e

interpretación de indicaciones. Cabe aclarar que este examen únicamente

verifica que la persona posee una vista con cierto nivel de sensibilidad. Para

algunas actividades de inspección, el examen de discriminación cromática se

aplica a fin de comprobar que el inspector pueda detectar variaciones de

color o tonos cromáticos, ya que en algunos casos es crítica la detección de

pequeñas variaciones de un tono de color o la apreciación de un color en

particular, principalmente en aplicaciones de la industria aeronáutica o

nuclear; dicho examen sólo se realiza una vez ya que el daltonismo es una

alteración genética y no es corregible. El siguiente paso en el entrenamiento

y actualización del personal que realiza la inspección visual es aprender qué

tipo de discontinuidades pueden detectarse visualmente y cuáles son las que

aparecen con más frecuencia a partir de ciertas condiciones. Este punto

involucra el conocimiento que tenga el Inspector en cuanto a la historia

previa de la pieza que está en examen.

2.10.9.2 HERRAMIENTAS PARA LA INSPECCIÓN VISUAL.

Tal vez uno de los mayores problemas de la aplicación de la Inspección

Visual es enseñar y hacer comprender a los Inspectores que no se puede ver

todo tan sólo con la observación directa y que en algunas ocasiones es

necesario saber leer planos y dibujos técnicos; o bien, saber emplear

diferentes instrumentos que pueden ser equipos de metrología dimensional o

de observación directa; ya que actualmente existe una amplia variedad de

instrumentos para ayudar a la Inspección Visual y que son:


82

Lentes de aumento o lupas.- Normalmente tienen aumentos de 5x y de l0x,

como máximo para los estudios llamados macroscópicos. Sus ventajas son

tener un costo bajo y que abarcan una amplia área de inspección.

Sistemas de interferencia cromática o con luz polarizada.- Consisten en

emplear luz polarizada sobre una superficie reflejante y por medio de los

patrones cromáticos formados son determinadas las zonas con

discontinuidades, como en el caso de la inspección de porcelanas o

recubrimientos vidriados. Endoscopios (Boroscopios).- Este sistema ha sido

ampliamente difundido en las nuevas técnicas de Inspección Visual,

principalmente porque permiten la observación del interior de una parte o

componente sin desarmar el equipo. En este tipo de herramientas existen

diferentes alternativas que varían de acuerdo al instrumento: Endoscopios

rígidos. Endoscopios flexibles. Endoscopios remotos. Por otra parte, los

avances tecnológicos han permitido la adaptación de sistemas de gran

iluminación por medio de fibras ópticas y el empleo de sistemas de vídeo

para el registro permanente de la inspección y de sistemas cromáticos (a

colores) para una mejor inspección de interiores así como la automatización

del proceso por medio del empleo de pequeños robots o unidades de control

remoto y de sondas. Debe hacerse la aclaración de que la Inspección Visual,

además de ser el método menos costoso, puede también producir grandes

ahorros. La tecnología actual ha permitido el desarrollo de sistemas de

Inspección Visual de muy alta calidad y por este motivo se describirá

brevemente la historia y aplicaciones de los endoscopios. Este tipo de

instrumento antiguamente es llamado incorrectamente boroscopio, del inglés

bore (hoyo) y scope (ver u observar); esto se debe a que en sus inicios los

endoscopios fueron empleados para inspeccionar el interior de los cañones

de artillería o los rifles. Para evitar este barbarismo, actualmente en español

o inglés se les llama endoscopios, del griego endos (dentro de) y scopeos

(ver). En 1806 se creó el primer endoscopio de aplicación médica y consistía

de un tubo con un juego de espejos y una vela, que permitían observar los

órganos internos de los pacientes. En 1867 este dispositivo fue mejorado y


83

tuvo algunas aplicaciones industriales. En 1879, el Dr. Nitze, en

colaboración con Beneche, un optometrista y Leitz un fabricante de

instrumentos, diseñó el primer endoscopio que empleaba una lente para

focalizar la imagen y que recibió el nombre de cistoscopio. Posteriormente,

en 1928, el Sr. Baird obtuvo una patente industrial por la primera aplicación

de las fibras ópticas para la transmisión de imágenes. Dos años más tarde, C.

W. Hansell obtuvo una patente por la invención que consistía en el empleo

de las fibras ópticas para transmitir la luz.

Fig. 2.10.1: Uso de galgas en inspección visual.

Fuente: “LA INSPECCIÓN Y EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA

POR EL MÉTODO DE ULTRASONIDO, EN MATERIALES Y

COMPONENETES, PARA EL MANTENIMIENTO, LA

SEGURIDAD Y LA SUSTENTABILIDAD DE LA

INFRAESTRUCTURA INDUSTRIAL” – Gerardo Patricio López

Lina, Instituto Politécnico Nacional de Culhuacán.

Los primeros endoscopios flexibles fueron de gran utilidad, por ser lo

suficientemente versátiles para la inspección de partes interiores de

maquinaria, con lo que se eliminaba pérdida de tiempo al no ser necesario

desarmar y armar equipos complejos sólo para conocer su estado interior; sin

embargo, estos endoscopios tenían el problema de que la imagen obtenida no

era del todo clara y nítida, como la de los endoscopios rígidos, motivo por el


84

cual, para realizar un examen confiable, se requería de al menos dos

endoscopios: uno rígido con lentes ópticas y otro flexible con fibras ópticas.

2.10.9.3 VENTAJAS DE LA INSPECCIÓN VISUAL

La Inspección Visual se emplea en cualquier etapa de un proceso productivo

o durante las operaciones de mantenimiento preventivo o correctivo.

Muestra las discontinuidades más grandes y generalmente señala otras que

pueden detectarse de forma más precisa por otros métodos, como son

líquidos penetrantes, partículas magnéticas o electromagnetismo. Puede

detectar y ayudar en la eliminación de discontinuidades que podrían

convertirse en defectos.

El costo de la Inspección Visual es el más bajo de todos los Ensayos no

Destructivos, siempre y cuando sea realizada correctamente.

2.10.9.4 LIMITACIONES DE LA INSPECCIÓN VISUAL.

La calidad de la Inspección Visual depende en gran parte de la experiencia y

conocimiento del Inspector. Está limitada a la detección de discontinuidades

superficiales. Cuando se emplean sistemas de observación directa, como son

las lupas y los endoscopios sencillos, la calidad de la inspección dependerá

de la agudeza visual del Inspector o de la resolución del monitor de vídeo.

La detección de discontinuidades puede ser difícil si las condiciones de la

superficie sujeta a inspección no son correctas.

2.10.10 LÍQUIDOS PENETRANTES.

La inspección por Líquidos Penetrantes es empleada para detectar e indicar

discontinuidades que afloran a la superficie de los materiales examinados. En

términos generales, esta prueba consiste en aplicar un líquido coloreado o

fluorescente a la superficie a examinar, el cual penetra en las discontinuidades


85

del material debido al fenómeno de capilaridad. Después de cierto tiempo, se

remueve el exceso de penetrante y se aplica un revelador, el cual

generalmente es un polvo blanco, que absorbe el líquido que ha penetrado en

las discontinuidades y sobre la capa de revelador se delinea el contorno de

ésta. Actualmente existen 18 posibles variantes de inspección empleando este

método; cada una de ellas ha sido desarrollada para una aplicación y

sensibilidad especifica. Así por ejemplo, si se requiere detectar

discontinuidades con un tamaño de aproximadamente medio milímetro

(0.012” aprox.), debe emplearse un penetrante fluorescente, removible por

posemulsificación y un revelador seco. Por otra parte, si lo que se necesita es

detectar discontinuidades mayores a 2.5 mm (0.100” aprox.), conviene

emplear un penetrante contrastante, lavable con agua y un revelador en

suspensión acuosa.

Fig. 2.10.2: Inspeección por Líquidos Penetrantes.

Fuente: “LA INSPECCIÓN Y EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA POR EL

MÉTODO DE ULTRASONIDO, EN MATERIALES Y COMPONENETES,

PARA EL MANTENIMIENTO, LA SEGURIDAD Y LA

SUSTENTABILIDAD DE LA INFRAESTRUCTURA INDUSTRIAL” –

Gerardo Patricio López Lina, Instituto Politécnico Nacional de Culhuacán.


86

2.10.10.1 REQUISITOS DE LA INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS

PENETRANTES

Antes de iniciar las pruebas de Líquidos Penetrantes, es conveniente tener en

cuenta la siguiente información: Es muy importante definir las características

de las discontinuidades y el nivel de sensibilidad con que se las quiere

detectar, ya que si son relativamente grandes o se quiere una sensibilidad

entre baja y normal, se recomienda emplear penetrantes visibles; pero si la

discontinuidad es muy fina y delgada o se requiere de una alta o muy alta

sensibilidad, es preferible emplear los penetrantes fluorescentes.

Otro factor de selección es la condición de la superficie a inspeccionar; ya

que si es una superficie rugosa o burda, como sería el caso de una unión

soldada o una pieza fundida, se debe emplear un penetrante líquido

removible con agua. Pero si la superficie es tersa y pulida, es preferible

emplear un penetrante removible con solvente. Finalmente cuando se

requiere una inspección de alta calidad o con problemas de sensibilidad, se

puede emplear un penetrante post-emulsificable. Si el material a examinar es

acero inoxidable, titanio o aluminio (para componentes aeronáuticos, por

ejemplo) o aleaciones de níquel, entonces los penetrantes deberán tener un

control muy rígido de contaminantes, como son los compuestos halogenados

(derivados del Flúor, Cloro, Bromo, Iodo) o de azufre (sulfatos o sulfuros),

ya que si quedan residuos de ellos, pueden ocasionar fracturas o fragilidad

del material. Todos los proveedores de productos de alta calidad

proporcionan un certificado de pureza de sus productos sin cargo adicional.

2.10.10.2 SECUENCIA DE LA INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS

PENETRANTES

Para la inspección por Líquidos Penetrantes, se deben realizar varias

operaciones previas, las cuales varían poco y dependen del tipo de

penetrante que se emplee:


87

a.- Limpieza Previa.

En toda pieza o componente que se inspeccione por este método, se deben

eliminar de la superficie todos los contaminantes, sean estos óxidos, grasas,

aceite, pintura, etc., pues impiden al penetrante introducirse en las

discontinuidades. Normalmente la limpieza previa se realiza en dos pasos; el

primero es propiamente una prelimpieza en la que se pueden emplear medios

químicos o mecánicos para remover los contaminantes de la superficie; y el

segundo, que consiste en la limpieza con un solvente (removedor) que sea

afín con el penetrante que se empleará en la inspección. Todo esto con el fin

de que las posibles indicaciones queden limpias y permitan la fácil entrada

del penetrante.

b.- Aplicación Del Penetrante.

El penetrante se aplica por cualquier método que humedezca totalmente la

superficie que se va a inspeccionar, dependiendo del tamaño de las piezas,

de su área y de la frecuencia del trabajo. Se puede seleccionar el empleo de

rociado, inmersión, brocha, etc.; cualquiera que sea la selección, ésta debe

asegurar que el penetrante cubra totalmente la superficie.

Penetrantes.

Penetrantes removibles con agua.- Como su nombre lo indica, se retiran de

la superficie con agua, la cual no debe exceder de una temperatura de 45

grados centígrados. El lavado puede realizarse por rociado de gota gruesa o

con una mezcla de agua y aire a presión; en este último caso, la presión del

rociado no debe ser superior a los 35 psi. Cualquiera que sea el método de

lavado seleccionado, se debe asegurar que éste no se remueva el penetrante

que se encuentre introducido en las discontinuidades

Penetrantes post-emulsificables.- Requieren de la aplicación de una sustancia

para provocar que el penetrante se solubilice en el agua. Se pueden emplear


88

emulsificantes hidrosolubles o liposolubles, dependiendo de la sensibilidad y

de la rapidez con la que se quiera realizar la inspección. Una vez que ha

transcurrido el tiempo de emulsificación, el exceso de penetrante se lava de

forma similar a cómo se hace con los penetrantes removibles con agua.

Penetrantes removibles con solvente.- Se retiran de la superficie empleando

un material absorbente que puede ser tela o papel, con la condición que no

dejen pelusa y en caso necesario, se puede humedecer el material absorbente

con el removedor que se emplea para la limpieza previa. Una recomendación

muy importante es la de evitar lavar la superficie con el removedor; además

de ser un desperdicio de este material, el removedor disuelve y elimina al

penetrante que se introdujo en las discontinuidades.

c.- Eliminación Del Exceso De Penetrante.

Consiste en la eliminación del exceso de penetrante que no se introdujo en

las discontinuidades. Esta etapa reviste gran importancia pues de ella

depende en gran parte la sensibilidad del método.

d.- Aplicación Del Revelador.

La función del revelador es absorber o extraer el penetrante atrapado en las

discontinuidades, aumentando o provocando la visibilidad de las

indicaciones. Existen varios tipos de reveladores cada uno de ellos con

características diferentes.

e.- Interpretación Y Evaluación De Las Indicaciones.

Después de que ha transcurrido el tiempo de revelado, la pieza está lista para

su evaluación. En esta etapa es importante considerar el tipo de iluminación,

el cual se determina de acuerdo al proceso utilizado. Se emplea iluminación

normal (luz blanca) de suficiente intensidad para el método de penetrante

visible e iluminación ultravioleta (luz negra), para el método de penetrante

fluorescente. La calidad de la inspección depende principalmente de la


89

norma de aceptación, de la habilidad y de la experiencia del inspector para

encontrar y evaluar las indicaciones presentes en la pieza.

2.10.10.3 APLICACIONES DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES

Las aplicaciones de los Líquidos Penetrantes son amplias y por su gran

versatilidad se utilizan desde la inspección de piezas críticas, como son los

componentes aeronáuticos, hasta los cerámicos como las vajillas de uso

doméstico. Muchas de las aplicaciones descritas son sobre metales, pero esto

no es una limitante, ya que se pueden inspeccionar otros materiales, por

ejemplo cerámicos vidriados, plásticos, porcelanas, recubrimientos

electroquímicos. etc.

2.10.10.4 VENTAJAS DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES

La inspección por Líquidos Penetrantes es extremadamente sensible a las

discontinuidades abiertas a la superficie. La configuración de las piezas a

inspeccionar no representa un problema para la inspección. Son

relativamente fáciles de emplear. Brindan muy buena sensibilidad. Son

económicos. Son razonablemente rápidos en cuanto a la aplicación, además

de que el equipo puede ser portátil. Se requiere de pocas horas de

capacitación de los Inspectores.

2.10.10.5 LIMITACIONES DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES

Sólo son aplicables a defectos superficiales y a materiales no porosos. Se

requiere de una buen limpieza previa a la inspección. No se proporciona un

registro permanente de la prueba no destructiva. Los Inspectores deben tener

amplia experiencia en el trabajo. Una selección incorrecta de la combinación

de revelador y penetrante puede ocasionar falta de sensibilidad en el método.

.


90

Fig. 2.10.3: Esquema general del ensayo por Líquidos Penetrantes.


Pontificia Universidad Católica del Perú

2.10.11 PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

La inspección por MT. Es un método para localizar discontinuidades

superficiales y sub superficiales en materiales ferromagnéticos.

En principio, el método involucra la magnetización del área a ser examinada,

la aplicación de partículas ferromagnéticas a la superficie. Las partículas

formarán indicaciones sobre la superficie donde fisuras y otras

discontinuidades causen distorsión en el campo magnético normal. Estas

indicaciones son usualmente características del tipo de discontinuidad que es

detectado y pueden ser fisuras, solapes, costuras, cerramientos en frío, y

laminaciones. Este método se basa en el hecho de que cuando una pieza es

magnetizada, las discontinuidades que son aproximadamente perpendiculares

a la dirección del campo magnético producirán un escape del campo de fuga

de la superficie de la pieza.

La presencia del campo de fuga y por ende la presencia de la discontinuidad

se detecta aplicando partículas ferromagnéticas finamente divididas sobre la


91

superficie de la pieza en ensayo, las que son atraídas y retenidas en las fuga de

campo.

Esta aglomeración de partículas “dibuja” la discontinuidad e indican su

localización, tamaño, forma y extensión.

Las partículas magnetizables pueden ser aplicadas sobre la superficie como

partículas secas o partículas húmedas que no es más que partículas

ferromagnéticas finamente divididas disueltas en una solución leve de

petróleo.

Los materiales ferromagnéticos incluyen a la mayoría de las aleaciones de

hierro, cobalto, níquel. Muchos aceros endurecidos por precipitación como

por ejemplo los aceros inoxidables 17- 4PH, 17-7 PH y 15-4 PH, son

magnéticos después del envejecimiento.

Estos materiales pierden sus propiedades ferromagnéticas por encima de una

cierta temperatura (Temperatura de Curie). Esta temperatura varía para los

diferentes materiales siendo para los materiales ferromagnéticos

aproximadamente de 760 º C.

2.10.11.1 LIMITACIONES Y VENTAJAS DEL MÉTODO

Los materiales no ferromagnéticos (también llamados paramagnéticos) no

pueden ser inspeccionados por este método. Tales materiales incluyen

aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, plomo titanio y aleaciones de

aceros inoxidables austeníticos.

Aplicaciones:

Las principales aplicaciones industriales por ensayo de MT son la inspección

final, inspección de recepción, inspección de procesados y control de

calidad, mantenimiento e inspecciones de reparación en la industria del


92

transporte, mantenimiento de planta y máquinas e inspección de grandes

componentes.

Aun cuando la inspección con MT sea aplicada para detectar

discontinuidades e imperfecciones en piezas y materiales tan pronto como

sea posible en la secuencia de operación, la inspección final es necesaria

para asegurar que no se han producido durante el proceso discontinuidades o

imperfecciones

La inspección de recepción de material también se realiza sobre materias

primas y piezas semiterminadas para detectar cualquier material defectuoso

así como soladuras de fábrica.

MT. En la industria del transporte (camiones, vías férreas y aviones) se

planifica la inspección de las partes críticas en busca de fisuras.

Programas de inspección planificada se usan en el control de calidad de

cordones de soldadura en estructuras metálicas, también para el mantener

equipos en operación sin roturas durante el servicio. Un requerimiento de

seguridad en plantas es la inspección de ganchos de Plumas; donde se

pueden desarrollar fisuras por fatiga en la superficie interior endurecida,

lugar en la que se concentran las cargas de elevación. Alabes, hélices y

carcazas de turbinas de vapor se examinan por roturas Incipientes durante las

paradas planificadas.

Ventajas

Este método es un medio sensible para localizar fisuras superficiales y sub-

superficiales en materiales ferromagnéticos.

Se pueden producir indicaciones de fisuras con tamaños suficientes para ser

vistas a ojo desnudo, pero si la apertura de las fisuras son demasiado grandes

puede no formarse la indicación.


93

También se indican en muchos casos discontinuidades que no son abiertas a

la superficie, Si una discontinuidad es delgada, marcada y cercana a la

superficie, tal como una larga inclusión no metálica, se puede producir una

indicación clara. Si la discontinuidad está ubicada más profundamente la

indicación aparecerá cada vez más difusa hasta no llegar a detectarse.

En general la mayor sensibilidad es para discontinuidades superficiales y

disminuye rápidamente con el incremento de la profundidad de las

discontinuidades (sub - superficiales) por debajo de la superficie.

Hay pocas o ninguna limitación en el tamaño o forma de las piezas a ser

inspeccionadas.

Limitaciones

Hay ciertas limitaciones que el operador debe considerar, por ejemplo el

espesor de capas de pintura u otros recubrimientos no magnéticos como

plateados que pueden afectar adversamente a la inspección.

Otras limitaciones son:

El método sólo puede ser usado sobre materiales ferromagnéticos.

Los mejores resultados se obtienen cuando el campo intercepta

perpendicularmente al plano principal de la discontinuidad, por lo que

muchas veces hay que magnetizar secuencialmente en diferentes direcciones.

Frecuentemente es necesaria la desmagnetización de la pieza después del

ensayo y/o previo acuerdo con el contratista.

Para piezas grandes se necesita una excesiva intensidad de corriente.

Aunque las indicaciones de partículas son vistas fácilmente, el operador debe

tener conocimiento y experiencia para poder juzgar su significado.


94

2.10.11.2 BASES DE LA INSPECCIÓN ELECTROMAGNÉTICA POR

PARTICULAS MAGNETICAS.

2.10.11.2.1 MATERIALES MAGNÉTICOS: MAGNETISMO

Coloquemos una barra magnética (imán) sobre una pila de alfileres y luego

levantémoslo. Los alfileres se pegaran a la barra principalmente cerca de

sus dos extremos. Estos dos lugares, donde la fuerza es intensa, son

llamados los polos del imán.

Cuando la barra es usada como una brújula, uno de los extremos indica el

Norte y este extremo es llamado Polo Norte. El otro es el Polo Sur.

Los Polos magnéticos existen en pares no ha sido posible producir un polo

magnético sin el acompañamiento de un polo opuesto, y cuando se quiebra

un imán instantáneamente se desarrollan polos en los extremos quebrados.

Entre los polos magnéticos se ejercen fuerzas. Polos de igual nombre se

repelen y polos de distinto nombre se atraen. La intensidad del polo

magnético se puede comparar con la magnitud de estas fuerzas.

Así, la intensidad del campo magnético tiene magnitud y dirección en

cada punto. Tal cantidad es llamada vector. Están conectadas para formar

líneas y esas líneas son llamadas líneas de fuerzas magnéticas. El dibujo

de estas curvas representa la dirección en la cual la aguja de una brújula

señala cuando es colocada en el campo magnético.


95

Fig. 2.10.4 Líneas de Flujo Magnético

Fuente: “ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR EL MÉTODO

DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS Y SU INCIDENCIA EN

MATERIALES FERROMAGNÉTICOS” - Universidad Técnica

de Ambato Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica.

Las curvas son tangentes al campo en cada punto. Las líneas de fuerzas

magnéticas comienzan en el Polo Norte del imán, se curvan y alcanzan al

Polo sur. Esto es continuo y no se diluyen sobre el camino. Además, no se

interceptan unas a otras.

Como las líneas de fuerza magnética son un haz en el espacio, las

llamaremos flujo magnético. Sea el flujo magnético Æ [Wb] que pasa a

través del área S [m2]. Luego, la cantidad de flujo por unidad de área,

estará dado por Ecuación.

B= Æ /S

B es llamada densidad de flujo. (Magnético).

B [Wb/ m2] (las unidades en el SI es la, Tesla [T])


96

La densidad de flujo B está relacionada con intensidad del campo

magnético H

Por la Ecuación en el vacío (aproximadamente lo mismo que en aire)

B= µ 0H

De acá podemos considerar que la densidad de flujo que se produce en el

espacio es debida a la existencia de la intensidad de un campo magnético.

B es un vector semejante a H.

Las curvas que están en la misma dirección que la densidad de flujo en

cada punto de ellos son llamadas líneas de inducción magnética.

Consecuentemente, las líneas de inducción magnética coinciden con las

líneas de fuerza magnética en el espacio.

2.10.11.2.2 TIPOS DE MATERIALES MAGNÉTICOS

Una sustancia que puede ser magnetizada en un campo magnético es

llamada material magnético.

Todas las sustancias son más o menos materiales magnéticos. Muchas

sustancias son magnetizadas de acuerdo a la intensidad de la fuerza

magnética solamente cuando ellas están en un campo magnético.

Los materiales magnéticos están divididos en las dos clases siguientes:

Materiales Paramagnéticos: los cuales son magnetizados en la misma

dirección que la fuerza magnética externa y tienen permeabilidades un

poco mayor que en el vacío.

Materiales diamagnéticos: los cuales son magnetizados en la dirección

contraria a la fuerza magnética externa y tienen permeabilidades un poco

menores que en el vacío. Estos se esquematizan en la Fig. .a). Y b).


97

Fig. 2.10.5 Tipos de Materiales Magnéticos

Fuente: “CURSO DE PARTICULAS MAGNETICAS NIVEL I/II “-

Fredi Miño Salazar.

Las sustancias las cuales son fácilmente magnetizadas son llamados

materiales ferromagnéticos (están dentro de los paramagnéticos).

Los materiales ferromagnéticos son el hierro, aceros, níquel y cobalto, son

también paramagnéticos pero tienen una propiedad adicional.

Las pequeñas unidades magnéticas no son átomos o electrones, sino un

grupo especial de átomos llamados dominios magnéticos. El calentamiento

de un imán de acero hasta el rojo puede producir la pérdida de su

magnetismo. La razón de esto es que algunos dominios salen de su

posición de alineamiento. La temperatura a la cual un material

ferromagnético se vuelve no magnético es llamada temperatura de Curie.

Las temperaturas de Curie del Fe, Co y Ni son aproximadamente 668 º C,

1120 º C y 353 º C.

MÉTODOS PARA PRODUCIR CAMPOS MAGNÉTICOS:

Uno de los requerimientos básicos para la inspección por Partículas

Magnetizables es que la pieza debe ser adecuadamente magnetizada de tal

forma que el escape del campo creado por la discontinuidad, atrape las


98

Partículas Magnetizables. Los imanes permanentes son útiles para estos

propósitos pero generalmente la magnetización se produce por

electroimanes o con el flujo magnético asociado a l flujo de una corriente

eléctrica. Básicamente, la magnetización deriva del campo magnético

circular generado cuando una corriente fluye por un conductor. La

dirección del campo depende de la dirección con la que la corriente fluye, y

puede ser determinada por la regla de la mano derecha. En la tabla 1 se dan

las aplicaciones generales, ventajas y limitaciones de varias técnicas de

magnetización de piezas.

TABLA 2.10.1: Aplicaciones generales, ventajas y limitaciones de

varias técnicas de magnetización


99


100


101

Fuente: “CURSO DE PARTICULAS MAGNETICAS” – Llogsa

2.10.11.2.3 TIPOS DE YUGOS

Hay dos tipos básicos de yugos usados comúnmente para magnetizar:

imanes permanentes y electroimanes. Ambos se utilizan manualmente.

Yugos de imanes permanentes:

Se utilizan en aplicaciones donde no hay disponibles fuentes eléctricas o

donde no está permitido arcos eléctricos (por ejemplo en atmósferas

explosivas). Las limitaciones son:


102

Grandes áreas o piezas no pueden ser magnetizadas con la intensidad

suficiente para que las fisuras produzcan indicaciones.

La densidad de flujo no puede ser variada.

Si el imán es muy fuerte, es difícil despegarlo de la pieza.

Las partículas se pueden adherir al imán con posibilidad de enmascarar

indicaciones.

Yugos electromagnéticos

Consisten en un arrollamiento sobre un cuerpo en forma de U hecho de

hierro blando (chapas al Si).

Sus patas pueden ser fijas o articuladas. Estas últimas sirven para variar la

distancia de contacto y para adaptarse a diferentes geometrías de la pieza.

Una diferencia con los yugos permanentes es que los electroimanes pueden

ser fácilmente encendidos o apagados lo que facilita separarlos de la pieza

de ensayo.

El yugo puede estar diseñado para trabajar con CC, CA o ambas. La

densidad de flujo producida por CC puede ser cambiado variando la

intensidad de la corriente que fluye en la bobina. Cuando se trabaja con

CC, hay gran penetración del campo mientras que con C.A. el campo

magnético se concentra en la superficie de la pieza, dando muy buena

sensibilidad para discontinuidades superficiales sobre una amplia zona. En

general, las discontinuidades a ser reveladas deberían estar entre los dos

polos del yugo y orientadas perpendicularmente a la línea imaginaria que

los conecta (fig. 2.10.6).


103

Fig. 2.10.6 Electroimán (Yugo)

Fuente: “CURSO DE PARTICULAS MAGNETICAS NIVEL

I/II “- Fredi Miño Salazar.

Se debe tener en cuenta que en la vecindad de los polos se producen

escapes de campos que producen una aglomeración excesiva de partículas.

Cuando se opera, la pieza cierra el circuito del flujo magnético entre los

polos producidos por el yugo (fuente del campo.) Los yugos que utilizan

C.A. para la magnetización tienen numerosas aplicaciones y pueden

también utilizarse para desmagnetizar

Bobinas:

Bobinas con uno o múltiples arrollamientos del conductor se utilizan para

inspeccionar piezas longitudinalmente (Fig.2.10.7)


104



Fig. 2.10.7 Magnetización Longitudinal con Bobina



El campo dentro de la bobina tiene una dirección definida que corresponde

a las direcciones de las líneas de fuerza producidas por cada porción del

conductor. La densidad de flujo dentro de la bobina es proporcional al

producto de la corriente “i”, en Amper, y el número de vueltas de la

bobina, N. Por esto la fuerza de magnetización puede ser variada

cambiando ya sea la intensidad de corriente o el número de vueltas del

enrollamiento. Para grandes piezas, se puede armar la bobina enrollando el

cable alrededor de la pieza con varias vueltas cuidando que las indicaciones

no queden ocultas debajo del cable.

Comercialmente se venden bobinas que pueden ser conectadas a un equipo

o suministro eléctrico. Estas bobinas pueden ser usadas en el lugar de

inspección de piezas en forma de barras en mantenimiento ferroviario,

aeronáutico, automotriz y en reparación de camiones y tractores.

Conductor Central:

En muchas piezas tubulares o en forma de anillos, es ventajoso el uso de un

conductor separado para transportar la corriente de magnetización en lugar


105

de usar la misma pieza para ello. A este conductor se lo denomina

“conductor central”. Se lo coloca atravesando la pieza por su interior

(Fig.2.10.8) y es una manera conveniente para magnetizar circularmente

sin que la pieza tenga un contacto directo con el circuito eléctrico.

Normalmente pueden ser sólidos o huecos, y de materiales ferromagnéticos

o no ferromagnéticos.

Fig. 2.10.8 Magnetización con Conductor Central



Las reglas básicas en la consideración del campo magnético alrededor de

un conductor por el que circula CC son:

El campo magnético en el exterior de un conductor de sección transversal

uniforme, es uniforme a lo largo de su longitud.

El campo magnético está a 90 º con respecto a la dirección de la corriente

en el conductor.

La densidad de flujo en el exterior del conductor varía inversamente con la

distancia radial desde el centro del conductor.

Método de contacto directo:


106

Para piezas pequeñas que no tengan orificios interiores pasantes, el campo

circular se produce por medio del contacto directo de la pieza (circulación

de corriente a través de la pieza). Este se realiza colocando las piezas entre

cabezales de contacto generalmente en equipos estacionarios. Un equipo

similar se puede usar como suministro de corriente de magnetización en la

técnica con conductor central.

Fig. 2.10.9 Magnetización Circular Entre Cabezales por Contacto

Directo



Los cabezales de contacto deben ser diseñados de forma de no dañar la

pieza ya sea físicamente por presión, o estructuralmente por el calor de

arcos eléctricos debido a alta resistencia en los puntos de contacto.

El calor puede ser especialmente dañino en superficies endurecidas como

por ejemplo en cojinetes de bolillas. Para una inspección completa en

piezas geométricamente complejas, es necesario colocar los contactos en

varios puntos de la pieza o arrollar cables en la dirección adecuada en todos

los puntos sobre la superficie.

Esto frecuentemente requiere de varias magnetizaciones por lo que, para

minimizarlas, se puede usar el método de magnetización total,

magnetización multidireccional o magnetización por corrientes

inducidas.


107

Contacto con puntas

En la inspección de piezas grandes y demasiado voluminosas como para

colocar en un banco entre cabezales, la magnetización frecuentemente se

realiza con puntas de contacto. Las puntas pasan la corriente directamente

por la pieza, a través de una zona localizada.

La técnica por puntas no siempre produce campos realmente circulares,

pero ellos son muy adecuados para muchos propósitos prácticos.

Esta técnica se utiliza comúnmente en grandes fundiciones y soldaduras.

Fig. 2.10.10 Puntas de contacto Simples(a) o Dobles (b)

Fuente: “ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR EL MÉTODO DE

PARTÍCULAS MAGNÉTICAS Y SU INCIDENCIA EN

MATERIALES FERROMAGNÉTICOS” - Universidad Técnica de

Ambato Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica.

Corrientes inducidas:

La utilización de corrientes inducidas para la magnetización circunferencial

en piezas en forma de anillos es una técnica muy apropiada. Esta se lleva a

cabo orientando adecuadamente el anillo dentro de una bobina de


108

magnetización de tal forma que vincule o encierre las líneas del flujo

magnético (flujo disperso), como muestra la (Fig. 2.10.11)

Cuando el flujo magnético (en la bobina) cambia (aumenta o disminuye)

cortando a la pieza, en el anillo se produce una corriente inducida circular y

con una dirección que se opone al cambio del flujo. La magnitud de esta

corriente depende del flujo total, de su velocidad de cambio y de la

impedancia asociada con el paso de corriente dentro del anillo.

Incrementando el flujo en la bobina y su velocidad de cambio, se

incrementa la intensidad de la corriente en el anillo produciendo un campo

magnético toroidal que abarca toda la superficie del anillo y conduce a

revelar las discontinuidades orientadas en forma circunferencial. Esto se

muestra esquemáticamente en la Fig. (Fig. 2.10.11 (b))

Para lograr un máximo en el flujo (de la bobina) usualmente se inserta un

núcleo de acero blando laminado en el hueco interior del anillo como se

muestra en la (Fig. 2.10.11(a).)

Fig. 2.10.11 Método de Magnetización por Corrientes inducida

(a) Resultado de las Corrientes Inducidas y el Campo Magnético

toroidal en el anillo (b).


109

Tipo de corriente a utilizar en el método de corrientes inducidas:

C.A. vs. C.C.:

Fuente: “ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR EL MÉTODO DE

PARTÍCULAS MAGNÉTICAS Y SU INCIDENCIA EN

MATERIALES FERROMAGNÉTICOS” - Universidad Técnica de

Ambato Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica.

La elección del tipo de corriente de magnetización para la técnica de

corrientes inducidas depende de las propiedades magnéticas de la

pieza a ser inspeccionada.

En los casos en que se pueda aplicar el método residual como por

ejemplo en pistas de cojinetes o piezas similares que tengan alta

retentividad, se utiliza la C.C. para la magnetización. La interrupción

brusca de esta corriente por medio de un circuito “quick- break”

produce un colapso rápido en el flujo magnético y la generación de

altos amperajes (pulso) dirigido circunferencialmente en la pieza.

Acá la pieza esta magnetizada residualmente con un campo toroidal y

la subsiguiente aplicación de partículas producirá indicaciones en las

discontinuidades circunferenciales.

Pasando una C.A. a través de la bobina se establecerá un campo

magnético fluctuante pasando desde un valor máximo en una

dirección a otro igual y opuesto, en forma similar a la corriente que

se produciría en un transformador con un enrollamiento secundario

de una sola espira. La corriente inducida alterna, junto al método

continuo, es el mejor método para el proceso de magnetización en

materiales blandos magnéticamente o con menor retentividad.

Aplicaciones:

El método de corrientes inducidas, además de eliminar la posibilidad

de dañar la pieza, es capaz de magnetizar en una sola operación


110

piezas que deberían, de otra forma, requerir más de un

posicionamiento entre cabezales.

Dos ejemplos de este tipo de piezas se ilustran en las figs. 27 y 28.

Estas piezas no pueden ser inspeccionadas completamente en un solo

posicionamiento, para detectar discontinuidades circunferenciales,

debido a que las zonas en los puntos de contacto no son magnetizadas

apropiadamente. Por esto, la cobertura total debería tener dos etapas,

rotando la pieza 90 º con respecto a la 1º antes de la 2º inspección.

La pieza en forma de disco (no hueca) de la Fig. 2.10.12 presenta

además un problema adicional si se quisiera aplicar el método de

contacto para detectar las discontinuidades circunferenciales cerca de

los bordes. Aun cuando se cumplan las dos etapas de magnetización,

como lo muestra la Fig.2.10.12, la corriente que atraviesa el disco

probablemente no produzca un campo circular de amplia magnitud en

los borde de la pieza.

Las corrientes inducidas pueden estar selectivamente concentradas en

el área de los bordes si se suplementa con piezas polares adecuadas

para producir una cobertura total (zona de bordes) en una sola etapa.

Las piezas polares, mostradas en la Fig.2.10.12 (b)) son huecas y

cilíndricas, una en cada lado del disco y dirigen el flujo magnético a

través del disco de tal forma que el borde es la única zona en la que

se produzca un camino cerrado para la corriente.

Las piezas polares utilizadas en este método son preferiblemente

construidas de material ferromagnético laminado para minimizar el

flujo de Corriente de Eddy dentro de ellas.

Estas piezas también pueden ser barras, tubos no conductores

rellenos con alambres o tuberías con paredes delgadas que tengan un


111

corte longitudinalmente para cortar el camino de las corrientes

inducidas dentro de ellas. También, en algunos casos, se puede

utilizar el eje sólido que posea un engranaje o disco como una de las

piezas polares. Distribución de la corriente y campo magnético

dentro de un anillo cuando se magnetiza por el método entre

cabezales (circulación de corriente a través de la pieza).

Fig. 2.10.12 :Paso de la corriente en un disco circular. a)

Magnetización entre cabezales, b) Magnetización con corrientes

inducidas.

Fig. 2.10.13: Paso de la Corriente en un Disco Circular. a)

Magnetización entre Cabezales, b) Magnetización con Corrientes

Inducidas.

Fuente: “PARTICULAS MAGNETIZABLEZ” - Universidad

nacional de Comahue, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de

Ensayos No Destructivos.


112

2.10.11.3 INSPECCIÓN DE ESFERAS DE ACERO

En esferas de acero con posibles fisuras por endurecimiento, tratamientos

térmicos superficiales o por amolado, no está permitido la inspección por

método de contacto directo debido a la terminación superficial pulida.

Las discontinuidades pueden estar orientadas en cualquier dirección y se

debe inspeccionar el 100 % de la superficie. La inspección por el método de

corrientes inducidas da los requerimientos de inspección sin dañar la

terminación superficial de la pieza.

La relación L/D de 1/1 para esferas no es favorable para la magnetización

con una bobina. Por esto, se usan piezas polares laminadas en cada lado de

las esferas para conferirles una configuración más favorable para la

magnetización.

Debido a la retentividad naturalmente alta del material, para la inspección de

esferas se utiliza magnetización residual con CC y un circuito “quick-

break”.

La pequeñez de las fisuras debidas a tratamientos térmicos o amolados y la

alta terminación superficial indica que el medio de inspección sean

partículas altamente suspendiditos en aceite.

Las esferas son inspeccionadas a los largo de los ejes x, y y z en tres

operaciones separadas sobre cada eje de la siguiente forma:

Un disparo de corrientes inducidas.

Se baña la esfera con la solución de partículas húmedas.

Inspección mientras se va rotando la esfera 360º (sobre el eje de inspección).

La rotación y reorientación puede ser llevada a cabo manualmente o puede

ser automatizada.


113

2.10.11.4 INTENSIDAD DE LA CORRIENTE APLICADA.

La intensidad de corriente o el número de Amper-vueltas necesarios para

obtener resultados óptimos depende del tipo de discontinuidades y sus

dimensiones mínimas que debe ser localizada o pueden ser toleradas.

La intensidad de corriente para magnetización longitudinal con bobina esta

determinada, inicialmente por las ecuaciones:

Pieza no centrada:

N.I = 45.000 / (L/D) (1)

Pieza centrada:

N.I = 43.000. R / ((6L/D) -5) (2)

Para magnetización circular, por pasaje de corriente a través de la pieza, la

corriente debería ser entre 12 a 31 A/mm (300 a 800 A/in) del diámetro de la

pieza (diámetro externo máximo). Normalmente la corriente debería ser de

20 A/mm (500 A/in) o menor, y utilizando como máximo hasta 31 A/mm

(800 A/in) para inspeccionar inclusiones o aleaciones de aceros endurecidas

por precipitación. El método de magnetización por puntas generalmente

requiere de 4 a 5 A/mm (100 a 125 A/in) de espaciado entre puntas. Este

espaciado no debería ser menor a 50mm (2in) y no mayor a 200 mm (8 in).

Para mayor información sobre los requerimientos de intensidad de corriente

remitirse a las Normas y Códigos.

2.10.11.5 MEDIO DE EXAMINACION O PARTICULAS MAGNETICAS

Es materiales ferromagnético finamente fragmentado (similar a un polvo)

para ser usados en una inspección y hacerlos fácilmente visibles sobre la

superficie de la pieza, al ser atraído donde exista una fuga de campo.


114

Las partículas son diseñadas para ser aplicadas como un flujo libre de un

polvo seco o como suspensión en un medio liquido adecuado (agua o un

destilado de petróleo).

Estas partículas presentan las siguientes propiedades:

Propiedades Magnéticas, deben tener alta permeabilidad para ser fáciles de

magnetizar al ser atraídas hacia las fugas de campo, tener baja retentividad

para no ser atraídas unas a otras y evitar su aglomera miento.

Control de tamaño y forma para obtener resultados consistentes, deben ser

redondeas o alargadas.

No deben ser toxicas.

Deben estar libres de moho, grasa, pintura, suciedad, y otros materiales

extraños que las contaminen.

2.10.11.6 TIPOS DE PARTICULAS

A) Partículas Secas (polvo ferromagnético seco), listas para utilizarse :

- Son utilizadas tal como se suministran.

- Se aplican por aspersión o espolvoreado.

- Se pueden aplicar bajo condiciones extremas de frio donde el baño podría

espesarse o congelarse; algunos polvos pueden usarse a temperaturas de

hasta 315°C, algunos pigmentos orgánicos se pierden a esa temperatura.

- Las partículas fluorescentes no pueden ser usadas a esas temperaturas.

- Poseen una movilidad superior con corriente rectificada de media honda.

- Son fácil de removerse con aire a presión.

- Colores no fluorescentes comerciales: rojo, negro, gris, azul, verde, naranja

(es necesario elegir el color que presenten mayor contraste con la superficie

a inspeccionar).


115

- Se pueden utilizar con pintura de contraste y con ello, mejorar la visibilidad

de las indicaciones.

- Los hay disponibles fluorescentes, no fluorescentes (visibles) y color dual.

- Desventajas:

Se tiene menor probabilidad de detección de discontinuidades finas.

Difícil de aplicar en magnetizaciones sobrecabeza o vertical.

No siempre existe evidencia visual de cobertura completa en la superficie de

la pieza que se inspecciona.

Se tiene un promedio menor de producción de piezas inspeccionadas.

Son difíciles de adaptar a sistemas de inspección automática

Existe probabilidades de inhalarlas, se requiere utilizar mascarilla de media

cara.

B) Partículas Magnéticas en Suspensión (húmedas), tales como :

- En un vehículo (agua o algún destilado ligero de petróleo).

- Para untarse (con brocha).

- Base polímeros.

- Se aplican por aspersión o por baño.

- La suspensión puede ser retenida en una tina y en recirculación por medio de

una bomba.

- También están disponibles en aerosol.

- Las hay fluorescentes y no fluorescentes.

- Se suministran secas o premezcladas en un concentrado en agua o un

destilado leve de petróleo.

- Generalmente se emplean en unidades horizontales de tipo estacionario.

- Son de menor tamaño que las partículas magnéticas secas.

- Los vehículos para la suspensión pueden ser:

Destilado de petróleo: Son ideales para partículas fluorescentes y no

fluorescentes, las partículas son suspendidas y dispersadas sin el uso de


116

agentes humectantes; provee un medio de protección contra la corrosión para

las piezas inspeccionadas y el equipo usado.

Agua Acondicionada: requiere de agentes humectantes y agentes

antioxidantes. El agua simple no dispersa algunos tipos de partículas, no

moja todas las superficies y es corrosiva.

- Características de las Partículas Fluorescentes:

Son ideales para alta producción.

Detectan discontinuidades muy finas.

Se utilizan a puerta cerrada o donde pueda controlarse la luz ambiental.

Son de color verde/amarillo o color naranja brillante; también hay de color

dual.

Se utilizan en el examen de piezas críticas.

El inspector debe permanecer por lo menos de 2 a 3 minutos en el área

obscurecida para que sus ojos se adapten y no debe usar lentes foto

cromáticos o con color permanente.

La inspección se realiza en un área obscura.

Se utiliza luz ultravioleta (luz negra) con una intensidad no menor a 1000

µW/cm2.

la luz ambiental no debe exceder un nivel de iluminación de 2fc (20 lux)

sobre la superficie a examinar.

Se debe emplear un luxómetro (equipo medidor de intensidad luminosa).

La lámpara de luz negra deberá calentar por lo menos 5 min.

- Lámpara de luz negra, deberá ser capaz de desarrollar las longitudes de onda

requeridas de entre 330 a 390 nm; deberán prevalecer las longitudes de onda

de 360 nm. Los materiales fluorescentes usados absorben la luz en un pico

de 365 nm de la banda del espectro de luz ultravioleta de la longitud más

grande.


117

- Determinación de la Concentración del Medio, se determina midiendo el

volumen de decantación, utilizando un tubo centrifugo en forma de pera con

una espiga de 1ml (con divisiones de 0.05ml) para partículas fluorescentes ;

o una espiga de 1.5ml (con divisiones de 0.1ml) para partículas o

fluorescentes. Antes de tomar la muestra , la suspensión debe dejarse fluir a

través del sistema de recirculación (unidad tipo estacionaria) por lo menos

30 minutos y con ello, asegurar una mezcla homogénea de todas aquellas

partículas que pudieran estar sedimentadas en las paredes y en el fondo del

tanque. Tomar una porción e 100 ml. De la suspensión, desmagnetizarla y

permitir que se decante por aproximadamente 60 minutos para destilado de

petróleo y 30 minutos si el vehículo es agua. La concentración inicial

(preparación) debe ser como lo indique el fabricante.

Después de transcurrido el tiempo de decantación, la concentración para

partículas fluorescente debe ser de 0.1 a 0.4 ml; y la concentración para no

fluorescentes debe ser de 1.2 a 2.4ml.no deben mezclarse partículas

fluorescentes con no fluorescentes.

2.10.12 TÉCNICAS DE INSPECCIÓN VOLUMÉTRICAS

Son aquellas con las que se comprueba la integridad de un material en su

espesor y se detectan discontinuidades internas que no son visibles en la

superficie de la pieza. Por regla general estos métodos deben considerarse

como complementarios entre sí, ya que cada uno es especialmente sensible

para apreciar un tipo determinado de indicaciones; por lo que la combinación

correcta de las técnicas permitirá detectar y evaluar correctamente las

indicaciones que pudieran encontrarse en el interior de un material.

2.10.13 RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL

El principio físico en el que se basa esta técnica es la interacción entre la

materia y la radiación electromagnética, siendo esta última de una longitud de

onda muy corta y de alta energía. Durante la exposición radiográfica, la


118

energía de los rayos X o gamma es absorbida o atenuada al atravesar un

material. Esta atenuación es proporcional a la densidad, espesor y

configuración del material inspeccionado. La radiación ionizante que logra

pasar el objeto puede ser registrada por medio de la impresión en una placa o

papel fotosensible, que posteriormente se somete a un proceso de revelado

para obtener la imagen del área inspeccionada; o bien, por medio de una

pantalla fluorescente o un tubo de vídeo, para después analizar su imagen en

una pantalla de televisión o grabarla en una cinta de vídeo. En términos

generales, es un proceso similar a la fotografía, con la diferencia principal de

que la radiografía emplea rayos X o rayos Gamma y no energía luminosa.

La Radiografía Industrial (RT), como prueba no destructiva, permite asegurar

la integridad y confiabilidad de un producto; además, proporciona

información para el desarrollo de mejores técnicas de producción y para el

perfeccionamiento de un producto en particular. La inspección por RT es un

método de inspección diseñado para detectar discontinuidades macroscópicas

y variaciones en la estructura interna o configuración física de un material.

2.10.13.1 REQUISITOS Y SECUENCIA DE LA INSPECCIÓN POR

RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL

Inicialmente, deben conocerse algunas características del material que se va

a examinar, como son: tipo del metal, su configuración, el espesor de la

pared a ser radiografiada, etc. Todo ello con el fin de seleccionar el

radioisótopo o el kilovoltaje más adecuados. Una vez establecida la fuente

de radiación, se deben calcular las distancias entre ésta, el objeto y la

película, para así poder obtener la nitidez deseada.

Igualmente, se selecciona la película con ciertas características que permitan

una exposición en un tiempo razonable y una calidad de imagen óptima. Esta

se coloca dentro de un porta película que sirve como protección para evitar

que la luz dañe la emulsión fotográfica, y que además contiene las pantallas

intensificadoras que sirven para reducir el tiempo de exposición, mejorando


119

con esto la calidad de la imagen. Este último proceso se efectúa en el

laboratorio.

Mantenerse a una distancia prudente de la fuente es el mejor camino para

evitar la exposición. La segunda medida es usar una protección (plomo,

acero, concreto) entre el individuo y la fuente. El tiempo es también un

factor importante. Cuanto menos tiempo se encuentre expuesto a la

radiación, menor será la dosis de ésta que reciba. A continuación, se hace el

arreglo para colocar la fuente a la distancia calculada con respecto al objeto

y se coloca la película radiográfica del otro lado de éste para registrar la

radiación que logre atravesar al material sujeto a inspección.

Con el objeto de determinar la sensibilidad y la calidad de una radiografía, se

emplean indicadores de calidad de imagen, mal llamados penetra metros. Al

realizar la inspección, los indicadores de calidad de imagen se eligen

normalmente de manera que el espesor de éstos represente aproximadamente

el 2% del espesor de la parte a inspeccionar y, siempre que sea

humanamente posible, se colocarán del lado de la fuente de radiación.

Fig. 2.10.14 Indicadores de calidad de imagen (IQI).




120

La densidad radiográfica de una película es su grado de "ennegrecimiento";

es decir, la cantidad de luz que puede pasar de un lado a otro de ésta. Para

que una película pueda interpretarse confiablemente, debe tener una

densidad entre 2 y 4, dependiendo del tipo de fuente empleada. Si se

comprueba que la imagen es satisfactoria, entonces se interpreta para

conocer qué tipo de indicaciones están presentes; las cuales posteriormente

serán evaluadas para conocer su nivel de severidad y su posible efecto en el

material que se inspecciona.

2.10.13.2 VENTAJAS DE LA RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL

Es un excelente medio de registro de inspección. Su uso se extiende a

diversos materiales. Se obtiene una imagen visual del interior del material.

Se obtiene un registro permanente de la inspección. Descubre los errores de

fabricación y ayuda a establecer las acciones correctivas.

2.10.13.3 LIMITACIONES DE LA RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL

No es recomendable utilizarla en piezas de geometría complicada. No debe

emplearse cuando la orientación de la radiación sobre el objeto sea

inoperante, ya que no es posible obtener una definición correcta. La pieza de

inspección debe tener acceso al menos por dos lados. Su empleo requiere el

cumplimiento de estrictas medidas de seguridad. Requiere personal

altamente capacitado, calificado y con experiencia. Requiere de instalaciones

especiales como son: el área de exposición, equipo de seguridad y un cuarto

oscuro para el proceso de revelado. Las discontinuidades de tipo laminar no

pueden ser detectadas por este método.


121

Fig. 2.10.15: Inspección por Radiografía Industrial.



2.10.14 ULTRASONIDO INDUSTRIAL

En la inspección por ultrasonido (Ultrasonic Testing) se utiliza la energía del

sonido de alta frecuencia para detectar discontinuidades internas en los

materiales y hacer mediciones del espesor del material. También puede ser

utilizada para la evaluación de discontinuidades, mediciones dimensionales,

clasificación de materiales y más. Las ondas ultrasónicas son vibraciones

mecánicas transmitidas, en un medio elástico (la pieza inspeccionada), por

medio de un transductor con un cristal piezoeléctrico excitado por un voltaje

eléctrico. Todas las sustancias materiales están formadas por átomos, que

pueden ser forzados en el movimiento vibratorio sobre sus posiciones del

equilibrio. Existen diversos patrones de movimiento vibratorio a nivel

atómico, sin embargo, la mayoría de ellos son irrelevantes para la prueba

ultrasónica. La acústica se centra en las partículas que contienen muchos

átomos que muevan en unísono al producto por medio de una onda mecánica.

Cuando un material no se tensa o se comprime más allá de su límite elástico,

sus partículas individuales realizan oscilaciones elásticas. Cuando las

partículas de un medio se desplazan de sus posiciones de equilibrio, se

presentan fuerzas (electrostáticas) internas de restauración. Estas fuerzas de


122

restauración elásticas entre las partículas, combinadas con la inercia de las

partículas, conducen a los movimientos oscilatorios del medio. En sólidos, las

ondas acústicas pueden propagarse en cuatro principales formas, basadas en la

manera en que oscilan las partículas. El sonido se puede propagar como ondas

longitudinales, ondas transversales, ondas superficiales, y en materiales

delgados como ondas laminares. Las ondas longitudinales y transversales son

los dos modos de propagación más ampliamente utilizados en la prueba

ultrasónica. Las frecuencias típicas de las ondas ultrasónicas están en el rango

de 0.1 MHz a 50 MHz. La mayoría de las aplicaciones industriales requieren

frecuencias entre 0.5 y 25 MHz. En la siguiente figura se muestra una típica

configuración de inspección de pulso-eco:

Fig. 2.10.16 Inspección típica por ultrasonido.

Fuente: “INTRODUCTION TO PHASED ARRAY ULTRASONIC

TECHNOLOGY APLICATIONS” – Olympus.

Dentro de los elementos que constituyen este modelo básico encontramos por

ejemplo al emisor/receptor que es un dispositivo electrónico que puede

producir pulsos eléctricos de alto voltaje. Excitado por el pulso eléctrico, el

transductor genera energía ultrasónica de alta frecuencia. La energía

ultrasónica es introducida y propagada a través de los materiales en forma de

ondas. Cuando existe una discontinuidad (como una grieta) en la trayectoria

de la onda, parte de la energía será reflejada. La señal reflejada de la onda es

transformada en una señal eléctrica por el transductor y mostrada en una


123

pantalla. En la pantalla, la fuerza reflejada de la señal se grafica contra el

tiempo desde la generación de la señal hasta que el eco fue recibido, lo que se

conoce comúnmente como “barrido-A”. El tiempo del recorrido de la señal se

puede relacionar directamente con la distancia a la que viajó la señal. Se

pueden obtener de la señal, la información sobre la localización del reflector,

el tamaño, la orientación y otras características. Existen cinco elementos que

conforman un Sistema de Inspección Ultrasónica y son:

El generador de señal eléctrica o equipo ultrasónico.- Es importante

mencionar que todos los equipos de ultrasonido solo emiten y reciben pulsos

eléctricos, que son graficados en la pantalla transflectiva del equipo.

Un conductor de señal eléctrica.- El cable coaxial permite la comunicación

entre el transductor y el equipo emisor/receptor de señales eléctricas.

El transductor.- Es un accesorio que contiene un cristal con propiedades

piezoeléctricas, es decir, puede transformar energía eléctrica a energía

mecánica y viceversa.

Acoplante.- Es un medio que permite el paso de las ondas ultrasónicas entre

el transductor y la pieza de prueba. Su función principal es la de eliminar el

aire en esta interfase.

La pieza inspeccionada.- La dificultad en una inspección por ultrasonido

depende de la resistencia que oponga la pieza al paso de las ondas

ultrasónicas.

Fig. 2.10.17 Sistema de Inspección Ultrasonica.




124

2.10.14.1 FÍSICA DEL ULTRASONIDO

2.10.14.1.1 ONDAS MECÁNICAS

Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio

material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las

perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un

comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga

únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la

perturbación. Algunas clases de ondas pueden propagarse gracias a la

existencia de un medio material, y se denominan ondas mecánicas. El

sonido, las ondas que se forman en la superficie del agua, las ondas en

muelles o en cuerdas, son algunos ejemplos de ondas mecánicas y

corresponden a compresiones, deformaciones y, en general, a

perturbaciones del medio que se propagan a través suyo. Sin embargo,

existen ondas que pueden propagarse aun en ausencia de medio material, es

decir, en el vacío. Son las ondas electromagnéticas o campos

electromagnéticos viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas

luminosas. El sonido y el ultrasonido son ondas acústicas de la misma

naturaleza, lo único que las diferencia es el número de oscilaciones o

vibraciones que sufren las partículas del medio durante su propagación. Las

aplicaciones industriales utilizan comúnmente frecuencias desde 0.5 a 25

MHz (millones de ciclos por segundo).

Existen ciertas características que son comunes a todas las ondas,

cualquiera que sea su naturaleza, y que en conjunto definen el llamado


125

comportamiento ondulatorio, esto es, una serie de fenómenos típicos que

diferencian dicho comportamiento del comportamiento propio de las

partículas.

Fig. 2.10.18 Onda mecánica sinusoidal.



Un ciclo representa el movimiento completo de una onda. Cuando una

partícula de la onda regresa a su posición original, se dice que ha

completado un ciclo. Por otro lado, la longitud de onda es la distancia que

se requiere para completar un ciclo. Es la distancia entre dos puntos que

oscilan en la misma fase, por ejemplo la distancia entre dos crestas o entre

dos valles de la onda. Esta propiedad es identificada con la letra griega “λ”.

Al número de ciclos que ocurren en una unidad de tiempo, (por lo general

el segundo), se le denomina frecuencia “f”. La unidad de medida para la

frecuencia son los ciclos por segundo o Hertz (1 Hz = 1 ciclo/segundo).

Una propiedad de los materiales, que es una característica propia de cada

uno, es la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas a través de

ellos. La singularidad de este valor se debe a que es una función del

módulo de elasticidad y la densidad del material. Se identifica con las letras

“v” o “c”. Estas tres características son ampliamente utilizadas en la

inspección por ultrasonido, ya que determinan el tipo de transductor que se

va a ocupar, la calibración del equipo, y el tamaño mínimo de

discontinuidad que se podrá encontrar. Matemáticamente existe una

fórmula que relaciona estas tres características, y es la siguiente:


126

Consideración de la Longitud de Onda en la Detección de Discontinuidades

Uno de los propósitos de la inspección ultrasónica es la detección de

discontinuidades, razón por la cual el inspector debe tomar una decisión en

cuanto al tipo de transductor que deberá emplear. Existe una cantidad

extensa de variables que se deben considerar en la elección de un

transductor, para una aplicación en particular. La longitud de la onda

emitida por un tipo de transductor, puede ser la primer variable a estudiar,

debido a que la teoría señala que una discontinuidad deberá tener un

tamaño de media longitud de onda (λ/2) para poder ser localizada. En la

práctica se considera el tamaño de λ completo. Un ejemplo para este punto

sería con un transductor de haz recto de 0.5 in de diámetro y 2.25 MHz de

frecuencia. Si realizamos este ejemplo en una pieza de acero estructural

1020, cuya velocidad de propagación del sonido es 0.232 in/µs. Tomando

en cuenta la ecuación (1):

Por lo tanto tenemos que:

Entonces la longitud teórica mínima que podríamos encontrar con este

transductor sería: λ/2 = .0 0515in.


127

2.10.14.1.2 PROPAGACIÓN DE ONDAS MECÁNICAS

La prueba por ultrasonido está basada en el tiempo que tarda una onda

ultrasónica en recorrer el espesor de un material, misma que es graficada

contra la cantidad de energía que se perdió durante el recorrido. Todos los

materiales que conocemos, están constituidos por pequeñas partículas

elementales, llamadas átomos, los cuales pueden propagar una onda

mecánica siempre que se les fuerce a vibrar dentro de sus límites de

equilibrio. Las fuerzas de restauración elástica de las partículas combinadas

con la inercia de las mismas partículas permiten esta propagación. Existen

diferentes modos de vibración a nivel atómico, sin embrago no todos son

relevantes para la inspección ultrasónica. En los materiales sólidos existen

cuatro modos principales de propagación, que son: ondas longitudinales,

ondas transversales, ondas superficiales y ondas de placa. Para este caso

solo se estudiará el comportamiento de las ondas longitudinales y

transversales, ya que son los dos tipos de propagación comúnmente

utilizados en las aplicaciones industriales. Ondas Longitudinales.- También

conocidas como ondas de compresión, debido a que su propagación ocurre

de manera paralela respecto la dirección de propagación de la onda. Esto

provoca que en los átomos se encuentren zonas con mayor densidad que

fluctúan durante el movimiento. Este tipo de onda se puede propagar a

través de sólidos, líquidos y gases. Cuando se utilizan, en la inspección

ultrasónica las ondas longitudinales, se recurre a transductores de haz recto.

Ondas Transversales.- A este tipo de ondas se les llama también ondas de

corte, y se caracterizan porque el movimiento de las partículas es en forma

perpendicular a la dirección de propagación de la onda. En las inspecciones

por ultrasonido se utiliza un accesorio que permite inclinar el transductor,

conocido Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica U.

Culhuacán 24 como zapata, y a este tipo de aplicaciones se les denomina

como aplicaciones con haz angular. Otra característica importante de este


128

tipo de ondas es que su velocidad de propagación es aproximadamente la

mitad de la velocidad con ondas transversales, para un mismo material.

Las ondas acústicas se propagan debido a las vibraciones o a los

movimientos oscilatorios de las partículas dentro de un material. Una onda

ultrasónica se puede visualizar como número infinito de masas o de

partículas oscilantes conectadas por medio de resortes elásticos. Cada

partícula individual es influenciada por el movimiento de su vecino más

cercano y las fuerzas elásticas de restauración e inercia actúan sobre cada

partícula.

Una masa en un resorte tiene una sola frecuencia resonante, determinada

por su resorte de constante k y masa M. La constante del resorte es la

fuerza de restauración de un resorte por unidad de longitud. Dentro del

límite elástico de cualquier material, hay una relación lineal entre la

dislocación de una partícula y la fuerza que procura restaurar la partícula a

su posición de equilibrio. Esta dependencia lineal es descrita por la Ley de

Hooke. En términos del modelo del resorte, la ley de Hooke dice que la

fuerza de restauración en un resorte es proporcional a la longitud que el

resorte está estirado, y actúa en dirección opuesta. Matemáticamente, la ley

de Hooke se escribe como F = - kx, donde F es la fuerza, k es la constante

del resorte y x es la cantidad de dislocación de la partícula. La ley de

Hooke se representa gráficamente en la figura. Observe por favor que el

resorte está aplicando una fuerza a la partícula que es igual y opuesta a la

fuerza que tira hacia abajo a la partícula.

Fig. 2.10.19 Modelo de Hooke.




129

2.10.14.1.3 LA VELOCIDAD DEL SONIDO

La ley de Hooke, cuando se utiliza junto con la segunda ley de Newton,

puede explicar algunas cosas sobre la velocidad del sonido. La velocidad

del sonido dentro de un material está en función de las características del

material y es independiente de la amplitud de la onda acústica. La segunda

ley de Newton dice que la fuerza aplicada a una partícula es directamente

proporcional al producto de la aceleración de la partícula por la masa de la

misma. Matemáticamente, la segunda ley de Newton se escribe como F =

ma. La ley de Hooke entonces dice que esta fuerza será balanceada por una

fuerza con dirección opuesta que es dependiente de la cantidad de

dislocación y de la constante del resorte (F = - kx). Por lo tanto, puesto que

la fuerza aplicada y la fuerza de restauración son iguales, se puede escribir

que ma = - kx. El signo negativo indica que la fuerza está en dirección

opuesta. Como la masa m y la constante de resorte k son constantes para

cualquier material dado, se puede ver que la aceleración a y la dislocación

x son las únicas variables. Puede también verse que son directamente

proporcionales. Por ejemplo, si la dislocación de la partícula aumenta,

aumenta también su aceleración. Resulta que el tiempo que le lleva a una

partícula moverse y regresar a su posición de equilibrio es independiente de

la fuerza aplicada. Así pues, dentro de un material dado, el sonido siempre

viaja a la misma velocidad, sin importar cuanta fuerza se aplica, cuando

otras variables, tales como la temperatura, se mantienen constantes.

Propiedades del material que afectan la velocidad del sonido Por supuesto,

el sonido viaja a diversas velocidades en diversos materiales. Esto es

porque la masa de los átomos y las constantes del resorte (módulo de

elasticidad) son diferentes para diversos materiales. La masa de las

partículas se relaciona con la densidad del material, y la constante del

resorte se relaciona con las constantes elásticas de un material. La relación

general entre la velocidad del sonido en un sólido, su densidad y las

constantes elásticas está dada por la siguiente ecuación:


130

Donde V es la velocidad del sonido, C es la constante elástica y ρ es la

densidad del material. Esta ecuación puede tomar un número diferente de

formas, dependiendo del tipo de onda (longitudinal o de corte) y qué

constantes elásticas se están usando. Las constantes elásticas típicas del los

materiales incluyen: Módulo de Young, E: una constante de

proporcionalidad entre el esfuerzo uniaxial y la deformación. Coeficiente

de Poisson, n: es un coeficiente del esfuerzo radial y el esfuerzo axial.

Módulo de compresibilidad, K: una medida de incompresibilidad de un

cuerpo sujeto a presión hidrostática. Módulo de elasticidad transversal, G:

también llamada rigidez, una medida de la resistencia de un material a un

esfuerzo de corte. Coeficientes de Lamé, λ y µ: constantes materiales que

se derivan del módulo de Young y del coeficiente de Poisson. Al calcular la

velocidad de una onda longitudinal, se utiliza comúnmente el módulo de

Young y el coeficiente de Poisson. Al calcular la velocidad de una onda

transversal, se utiliza el módulo de elasticidad transversal. Es a menudo

más conveniente hacer los cálculos usando los coeficientes de Lamé, que se

derivan del módulo de Young y del coeficiente de Poisson. También se

debe mencionar que el subíndice ij, escrito junto a C en la ecuación

antedicha, se utiliza para indicar la direccionalidad de las constantes

elásticas con respecto al tipo de onda y a la dirección de propagación de la

misma. En materiales isotrópicos, las constantes elásticas son las mismas

para todas las direcciones dentro del material. Sin embargo, la mayoría de

los materiales son anisotrópicos y las constantes elásticas son diferentes en

cada dirección. Por ejemplo, en un pedazo de placa de aluminio rolada, los

granos se alargan en una dirección y se comprimen en otras, y las

constantes elásticas para la dirección longitudinal son diferentes que las

que se encuentran en dirección transversal o pequeñas direcciones

transversales. Algunos ejemplos de velocidades longitudinales


131

aproximadas en materiales son: Aluminio - 0.632 cm/µseg (0.249 in/µseg)

Acero1020 - 0.589 cm/µseg (0.232 in/µseg) Hierro colado - 0.480 cm/µseg

(0.188 in/µseg) Algunos ejemplos de velocidades de corte aproximadas en

materiales son: Aluminio - 0.313 cm/µseg (0.123 in/µseg) Acero 102 0 -

0.324 cm/µseg (0.128 in/µseg) Hierro colado - 0.240 cm/µseg (0.094

in/µseg) Cuando comparamos las velocidades longitudinales y de corte, se

puede observar que la velocidad de corte es aproximadamente la mitad de

la velocidad longitudinal. En la sección de anexos se muestra una lista más

detalla de materiales y sus velocidades de propagación.

2.10.14.1.4 IMPEDANCIA ACÚSTICA

El sonido viaja a través de los materiales bajo influencia de las fuerzas de

compresión. Esto debido a que las moléculas o los átomos de un sólido

están limitados elásticamente uno a otro, el exceso de presión da lugar a

una onda que se propaga a través del sólido. La impedancia acústica (Z) es

la resistencia que opone un material a la propagación del sonido y esta

definida como el producto de su densidad (ρ) y la velocidad acústica (V). Z

= ρV (3) La impedancia acústica es importante en: 1. la determinación de

la transmisión y la reflexión acústicas en el límite de dos materiales que

tienen diversas impedancias acústicas. 2. el diseño de transductores

ultrasónicos. 3. la determinación de la absorción del sonido en un medio. El

siguiente es un ejemplo de un cálculo de la impedancia acústica para agua

y acero inoxidable, conociendo su densidad (ρ) y la velocidad acústica (V).

También muestra cómo un cambio en la impedancia afecta la cantidad de

energía acústica que se refleja y se transmite. Los valores de la energía

reflejada y transmitida son las cantidades fraccionarias del incidente total

de la energía en la interfaz. Observe que la cantidad fraccionaria de energía

transmitida más la cantidad fraccionaria de energía reflejada es iguala a

uno. El cálculo usado para llegar a estos valores será discutido más

adelante.


132

Fig. 2.10.20 Cálculo de impedancia acústica entre agua y acero

inoxidable



2.10.14.1.5 COEFICIENTES DE TRANSMISIÓN Y REFLEXIÓN

El sonido tiene un comportamiento en los materiales que es semejante a un

haz de luz dirigido a un recipiente con agua. En esta analogía, el haz de luz

se refleja Coeficientes de transmisión y reflexión El sonido tiene un

comportamiento en los materiales que es semejante a un haz de luz dirigido

a un recipiente con agua. En esta analogía, el haz de luz se refleja

Comúnmente encontraremos dos situaciones que se relacionan con la

reflexión:

Cuando la onda que incide es perpendicular a la interfase acústica

(incidencia normal), la reflexión se presentará hacia la fuente generadora,

en la misma dirección pero con el sentido opuesto.

Cuando la onda incidente es oblicua a la interfase acústica (incidencia

angular), la onda se refleja con un ángulo igual al de incidencia.


133

Fig. 2.10.21 Incidencia normal y angular.

Fuente: “INTRODUCTION TO PHASED ARRAY

ULTRASONIC TECHNOLOGY APLICATIONS” – Olympus.

De la cantidad total de energía incidente una parte es reflejada, como se

mostró anteriormente, y la otra parte es transmitida al segundo medio.

Existe una relación entre la intensidad de la onda que es transmitida al

segundo medio y el total de energía incidente. Esta relación se conoce

como el coeficiente de transmisión.

Por lo tanto del 100 % de energía que incide una parte es reflejada en la

interfase hacia la fuente generadora, y la otra parte se transmite al segundo

medio. Entonces se establece que de la suma de los coeficientes de

reflexión y transmisión se obtiene el 100 % de la energía de incidencia

original.

2.10.14.1.6 REFRACCIÓN Y LEY DE SNELL

Cuando una onda ultrasónica pasa a través de una interfaz entre dos

materiales a un ángulo oblicuo (que no es recto), y los materiales tienen

diversos índices de refracción, se producen ondas reflejadas y ondas

refractadas. Esto también ocurre con la luz, cuando los objetos que se ven a

través de una interfaz parecen ser cambiados del lugar donde realmente


134

están. Una buena manera de visualizar cómo la luz y el sonido se refractan,

es encender una linterna encima de un recipiente con agua, para observar el

ángulo de refracción con respecto al ángulo incidente.

La refracción ocurre en una interfaz debido a las diversas velocidades de

las ondas acústicas dentro de los dos materiales. La velocidad del sonido en

cada material es determinada por sus características físicas (módulos

elásticos y densidad) para ese material. En la siguiente figura se pueden ver

una serie de ondas planas que viajan en un material y se incorporan a un

segundo material que tiene una velocidad acústica más alta. Por lo tanto,

cuando la onda encuentra la interfaz entre estos dos materiales, la porción

de la onda en el segundo material se está moviendo más rápidamente que la

porción de la onda en el primer material. Se puede ver que esta

característica hace que la onda se doble.

Fig. 2.10.22 Refracción de ondas acústicas en un material de

prueba.



Existe una ecuación, que describe la relación entre los ángulos y las

velocidades de las ondas, que se conoce como la ley de Snell. La ley de

Snell compara el cociente de las velocidades acústicas de los materiales V1

y V2 al cociente del seno del ángulo incidente (α) y del ángulo refractado

(θ), según las indicaciones de la ecuación siguiente.


135

2.10.14.1.7 CONVERSIÓN DE MODO

Cuando el sonido viaja en un material sólido, una forma de energía de la

onda se puede transformar en otra. Por ejemplo, cuando las ondas

longitudinales golpean una interfaz de manera angular, algo de la energía

puede causar el movimiento de la partícula en dirección transversal para

comenzar una onda de corte (transversal). La conversión de modo ocurre

cuando una onda encuentra una interfaz entre los materiales de diversas

impedancias acústicas y el ángulo incidente no es normal a la interfaz. En

la siguiente figura se puede ver como ocurre la conversión de modo cada

vez que la onda encuentra una interfaz en ángulo; las señales ultrasónicas

pueden llegar a ser confusas ocasionalmente.

Fig. 2.10.23 Conversión de modo de las ondas acústicas en un

material de prueba.



En la sección anterior, se precisó que cuando las ondas acústicas pasan a

través de una interfaz entre los materiales que tienen diversas velocidades

acústicas, la refracción ocurre en la interfaz. Cuanto más grande es la

diferencia de velocidades acústicas entre los dos materiales, se refracta más

el sonido. Note que la onda de corte no se refracta tanto como la onda


136

longitudinal. Esto ocurre porque las ondas de corte viajan más lentamente

que las ondas longitudinales. Por lo tanto, la diferencia de velocidades

entre la onda longitudinal incidente y la onda de corte no es tan grande,

como lo es entre la onda incidente y las ondas longitudinales refractadas.

También observe que cuando una onda longitudinal se refleja dentro del

material, la onda de corte se refleja a un ángulo más pequeño que la onda

longitudinal reflejada. Esto es también debido al hecho de que la velocidad

de corte es menor que la velocidad longitudinal dentro de un material dado.

2.10.14.1.8 ÁNGULOS CRÍTICOS

Cuando una onda longitudinal se mueve desde un material con una

velocidad de propagación más lenta a uno con una velocidad de

propagación más rápida, hay un ángulo incidente que hace que el ángulo de

refracción para la onda longitudinal sea de 90°. Este se conoce como el

primer ángulo crítico. El primer ángulo crítico se puede encontrar con la

ley de Snell poniendo un ángulo de 90° para el ángulo del haz refractado.

En el ángulo de incidencia crítico, mucha de la energía acústica está bajo la

forma de onda de compresión no homogénea, que viaja a lo largo de la

interfaz y decae en forma exponencial con la profundidad de la interfaz.

Esta onda se conoce a veces como “onda de deslizamiento”. Debido a su

naturaleza no homogénea y el hecho de que decaen rápidamente, las ondas

de deslizamiento no se utilizan en PND. La siguiente imagen nos muestra

gráficamente el ángulo de incidencia α, necesario para que el ángulo θL de

las ondas refractadas longitudinales sea de 90°. Se puede deducir con esto,

que eligiendo un primer ángulo crítico específico, se pueden eliminar las

ondas longitudinales refractadas, que pueden provocar señales fantasmas

en el equipo.


137

Fig. 2.10.24 Primer ángulo crítico.



Generalmente los fabricantes de zapatas y transductores hacen este cálculo

para manufacturar sus productos, sin embargo también es necesario

realizarlo en aplicaciones de inmersión, es decir, en donde se introduce un

transductor automatizado en un recipiente con acoplante, el cual tiene

contenido en el fondo la pieza a inspeccionar. Por otro lado, al ángulo de

incidencia α necesaria para refractar una onda de corte θT a 90° se le

conoce como segundo ángulo crítico y se muestra en la siguiente imagen.

La siguiente figura muestra la energía relativa de las ondas longitudinales,

transversales y superficiales en acero, para diferentes ángulos de incidencia

de ondas longitudinales en plástico (es decir un transductor montado en una

zapata), las curvas mostradas fueron obtenidas usando una zapata de

plástico sobre acero.

Fig. 2.10.26 Energía relativa de las ondas acústicas en acero




138

La mayoría de las inspecciones con haz angular se realizan entre el primero

y segundo ángulo crítico, por lo que se propagan en el material solamente

ondas de corte. Es importante señalar, que los fabricantes de las zapatas

para estas aplicaciones, graban en la zapata el valor del ángulo al que es

refractada la onda dentro del material. Por tanto este valor no es la

inclinación de la zapata sino el ángulo de la onda de corte refractada.

2.10.14.1.9 ATENUACIÓN

Cuando el sonido viaja a través de un medio, su intensidad disminuye con

la distancia. En materiales ideales, la presión del sonido (amplitud de la

señal) es reducida solamente por la propagación de la onda. Los materiales

reales, sin embargo, producen un efecto que debilita el sonido mientras se

encuentra más lejos. Este debilitamiento posterior resulta de la dispersión y

de la absorción. La dispersión es la reflexión del sonido en otras

direcciones diferentes a su dirección original de propagación. La absorción

es la conversión de la energía ultrasónica a otras formas de energía. El

efecto combinado de la dispersión y de la absorción se llama atenuación.

La atenuación ultrasónica es el índice de decaimiento de la onda que se

propaga a través del material. La atenuación del sonido dentro de un

material por sí mismo no es, a menudo de interés intrínseco. Sin embargo,

las características y las condiciones de carga naturales se pueden relacionar

con la atenuación. La atenuación sirve, a menudo, como herramienta de

medición que conduce a la formación de teorías para explicar el fenómeno

físico o químico que disminuye la intensidad ultrasónica. El cambio de la

amplitud de una onda plana que decae se puede expresar como:

En esta expresión Ao es la amplitud de la onda propagada en algún medio.

La amplitud A es la amplitud reducida después de que la onda ha viajado

una distancia Z desde su localización inicial. La cantidad α es el coeficiente


139

de atenuación del viaje de la onda en la dirección z. Las dimensiones de α

son neperiano/longitud, donde un neperiano es una cantidad sin

dimensiones. El término e es la constante de Napier que es

aproximadamente igual a 2.71828.

Las unidades del valor de la atenuación en neperiano/longitud se pueden

convertir a decibeles/longitud dividiéndose por 0.1151. Los decibeles son

una unidad más común al relacionar las amplitudes de dos señales. La

atenuación es generalmente proporcional al cuadrado de la frecuencia. Los

valores de la atenuación se dan a menudo para una sola frecuencia, o se

puede dar un valor de atenuación promedio sobre muchas frecuencias.

También, el valor real del coeficiente de atenuación para un material dado,

es altamente dependiente de la manera con la cual el material es

manufacturado. Así, los valores de la atenuación dan solamente una

indicación aproximada de la misma y no se debe confiar en ellos

automáticamente. Generalmente, un valor confiable de la atenuación puede

ser obtenido solamente determinando la atenuación experimental para el

material particular que es utilizado. La atenuación se puede determinar

evaluando las múltiples reflexiones de pared posterior consideradas en un

típico barrido – A. El número de decibeles entre dos señales adyacentes se

mide y este valor se divide por el intervalo de tiempo entre ellas. Este

cálculo produce un coeficiente de atenuación en decibeles por unidad de

tiempo Ut. Este valor se puede convertir a neperiano/longitud con la

ecuación siguiente:

Este valor donde v es la velocidad del sonido en metros por segundo y Ut

está en decibeles por segundo.


140

2.10.14.2 TRANSDUCTORES ULTRASÓNICOS

La conversión de pulsos eléctricos a vibraciones mecánicas y la conversión

de vibraciones mecánicas a pulsos eléctricos, nuevamente, es la base para

la prueba ultrasónica. El elemento activo (o cristal piezoeléctrico), es el

corazón del transductor, pues convierte la energía eléctrica a energía

acústica, y viceversa. El elemento activo es básicamente un pedazo de

material polarizado (es decir algunas partes de la molécula se cargan

positivamente, mientras que otras partes de la molécula se cargan

negativamente) con dos electrodos unidos a sus caras opuestas. Cuando una

carga eléctrica se aplica a través del material, las moléculas polarizadas se

alinearán con la carga eléctrica, dando por resultado dipolos inducidos

dentro de la estructura molecular o cristalina del material. Esta alineación

de moléculas hará que el material cambie sus dimensiones. Este fenómeno

se conoce como electroestricción. Además, un material

permanentepolarizado tal como el Cuarzo (SiO2) o el Titanato de Bario

(BaTiO3) producirá una carga eléctrica cuando el material cambie sus

dimensiones, como resultado de una fuerza mecánica impuesta. Este

fenómeno se conoce como el efecto piezoeléctrico.

El elemento activo, de la mayoría de los transductores acústicos usados hoy

en día, es un elemento piezoeléctrico de cerámica, el cual puede ser cortado

de varias maneras, para producir diversos modos de onda. En la siguiente

imagen se puede observar un elemento de cerámica piezoeléctrico, de un

transductor de baja frecuencia seccionado.


141

Fig. 2.10.27 Corte transversal de un transductor.



En los años 50 se utilizaban principalmente materiales hechos de cristales

de cuarzo y materiales magnetoestrictivos. Es por eso que el elemento

activo todavía es conocido como “cristal”. Cuando la cerámica

piezoeléctrica fue introducida, pronto se volvió el material dominante para

los transductores, debido a sus buenas características piezoeléctricas y a la

facilidad en su fabricación, en una variedad de formas y de tamaños.

También funcionan en baja tensión y son utilizables hasta sobre 300° C. El

primer piezo-cerámico usado en general fue el titanato de bario, y fue

seguido, durante los años 60, por las composiciones de titanato zirconato

de plomo, que son las cerámicas que ahora se emplean más comúnmente

para hacer los transductores. Los nuevos materiales tales como piezo-

polímeros y compuestos también se están utilizando en algunas

aplicaciones. El espesor del elemento activo es determinado por la

frecuencia deseada del transductor. Un elemento fino vibra con una

longitud de onda que es dos veces su espesor. Por lo tanto, los cristales

piezoeléctricos se cortan a un espesor que sea de media longitud de onda

deseada. Cuanto más alta es la frecuencia del transductor, más delgado es

el elemento activo. La principal razón por la que los transductores de alta

frecuencia de contacto no son producidos, es porque el elemento es muy

fino y demasiado frágil.


142

2.10.14.2.1CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSDUCTORES

El transductor es una parte muy importante del sistema ultrasónico de

instrumentación. El transductor contiene un elemento piezoeléctrico, que

convierte señales eléctricas en vibraciones mecánicas y vibraciones

mecánicas en señales eléctricas. Muchos factores, incluyendo el material,

construcción mecánica y eléctrica, y las condiciones de carga mecánica y

eléctrica externas, influencian el comportamiento de un transductor. La

construcción mecánica incluye parámetros tales como el área superficial,

amortiguamiento mecánico, el contenedor del cristal, el tipo de conector y

otras variables de la construcción física. Los transductores de contacto

también incorporan una placa de desgaste para proteger al elemento activo

contra la fricción. El material de respaldo que apoya al cristal, tiene una

gran influencia en las características de amortiguamiento de un transductor.

Usar un material de respaldo con una impedancia similar a la del elemento

activo producirá un amortiguamiento más eficaz. Dicho transductor tendrá

un ancho de banda estrecho, dando por resultado una sensibilidad más alta.

Como la impedancia de la unión mal hecha entre el elemento activo y el

material de respaldo incrementa, la capacidad de penetración incrementa

pero la sensibilidad del transductor es reducida. Esta regla puede ser otra

referencia para elegir un transductor, para una aplicación específica, debido

a que también se relaciona directamente con la frecuencia. Por tanto se

establece que si se aumenta la frecuencia en un transductor, aumenta

también su sensibilidad, pero disminuye la penetración, lo que se

representa de la siguiente manera:

↑ Frecuencia ↑ Sensibilidad ↓ Penetración


143

2.10.14.2.2 EFICIENCIA DEL TRANSDUCTOR, ANCHO DE BANDA Y

FRECUENCIA

Algunos transductores se fabrican especialmente para ser transmisores más

eficientes y otros para ser receptores más eficientes. Un transductor que

funciona bien en una aplicación no producirá siempre los resultados

deseados en una aplicación diferente. Por ejemplo, la sensibilidad, que es la

capacidad de detectar discontinuidades lo más pequeñas posibles, es

proporcional al producto de la eficiencia del transductor como transmisor y

receptor. La resolución requiere un transductor altamente amortiguado. La

resolución se puede entender de dos diferentes maneras, la primera es la

resolución cercana, que se refiere a la habilidad del sistema de inspección

para detectar discontinuidades localizadas cerca de la superficie de entrada.

Por otro lado la resolución lejana es la habilidad del sistema de inspección

de separar dos o más ecos de discontinuidades cercanas entre sí en

distancia. Es también importante entender el concepto del ancho de banda,

o de la gama de frecuencias, asociada a un transductor. Según una

definición de banda ancha, contenida en la norma ASTM E-1065 “Guía

Estándar para la Evaluación de las Características de las Unidades de

Rastreo Ultrasónico”, es aquella parte de la frecuencia de respuesta, que

cae dentro de los límites dados. En este texto, los límites usados son del

nivel de -6 dB, medidos desde el pico de la frecuencia de respuesta. La

ecuación usada para obtener el ancho de banda (BW) es:

Donde:

f u = Frecuencia superior,

f 1 = Frecuencia inferior y

f c = Frecuencia central


144

El ancho de banda se expresa como un porcentaje. La frecuencia conocida

en un transductor es la frecuencia central y depende sobre todo del material

de respaldo. Los transductores altamente amortiguados responderán a las

frecuencias sobre y debajo de la frecuencia central. La amplia gama de

frecuencias provee a un transductor con una alta energía de resolución. Los

transductores menos amortiguados exhibirán una gama de frecuencia más

estrecha y una energía de resolución más pobre, pero una mayor

penetración. La frecuencia central también definirá las capacidades de un

transductor. Frecuencias más bajas (0.5MHz - 2.25MHz) proporcionan

mayor energía y penetración en un material, mientras que los cristales de

alta frecuencia (15.0MHz - 25.0MHz) proporcionan una penetración

reducida, pero mayor sensibilidad a las discontinuidades pequeñas. Los

transductores de alta frecuencia, cuando se utilizan con la instrumentación

apropiada, pueden mejorar la resolución de la discontinuidad y la

capacidad de medición de espesores, dramáticamente. Los transductores de

banda ancha con frecuencias hasta 150 MHz están disponibles en el

mercado. Las siguientes figuras ilustran ejemplos de reportes del análisis

de dos transductores con diferente grado de amortiguamiento y ancho de

banda, estos resultados corresponden a la forma del pulso y el espectro de

frecuencias.


145

Fig. 2.10.28 Certificados de prueba de dos transductores con

diferente amortiguamiento.



Los transductores se construyen para soportar un cierto uso rudo, pero

deben ser manejados cuidadosamente. Emplear mal, por ejemplo, dejarlo

caer, puede causar que se agriete la placa de desgaste, del elemento, o del


146

material de respaldo. Los daños a un transductor se observan a menudo en

una presentación de barrido-A, como ampliación del pulso inicial.

2.10.14.2.3 CARACTERÍSTICAS DEL HAZ ULTRASÓNICO

El sonido que emana de un transductor piezoeléctrico no se origina en un

punto, sino que por el contrario se origina en la mayor parte de la superficie

del elemento piezoeléctrico.

Los transductores redondos se conocen a menudo como transductores de

fuente de pistón, porque el haz ultrasónico se asemeja a una masa cilíndrica

delante del transductor. El haz ultrasónico de un transductor piezoeléctrico

típico se muestra en la siguiente figura.

Fig. 2.10.29 Haz ultrasónico en un transductor.



Puesto que el ultrasonido se origina de un número de puntos a lo largo de la

cara del transductor, la intensidad del ultrasonido a lo largo del haz, es

afectada por la interferencia constructiva y destructiva de la onda. Estos

efectos, a veces, también se conocen como efectos de la difracción. Esta

interferencia de la onda conduce a fluctuaciones extensas en la intensidad

ultrasónica cerca de la fuente y se conoce como el campo cercano. Debido

a variaciones acústicas dentro de un campo cercano, puede ser

extremadamente difícil evaluar discontinuidades en los materiales, cuando

se encuentran dentro de esta área. La longitud del campo cercano puede

calcularse en forma teórica con la siguiente ecuación:


147

Donde:

N = Longitud del campo cercano

D = Diámetro del transductor

f = Frecuencia del transductor

v = Velocidad de la onda ultrasónica

λ = Longitud de onda

A = Área de la superficie de contacto del transductor

Las ondas de presión se combinan para formar un frente relativamente

uniforme en el extremo del campo cercano. El área más allá del campo

cercano donde está más uniforme el haz ultrasónico se llama el campo

lejano o Zona de Fraunhöfer . En el campo lejano, el haz se separa hacia

fuera en un patrón que se origina desde el centro del transductor. La

transición entre el campo cercano y el campo lejano ocurre en una distancia

N, y se conoce como el “foco natural” de un transductor plano (o

desfocalizado). El área, más allá del campo cercano, es donde la onda

acústica se comporta bien y en donde tiene su fuerza máxima. Por lo tanto,

los resultados óptimos de la detección serán obtenidos cuando las

discontinuidades se encuentran en esta área.

2.10.14.2.4 DIVERGENCIA DEL HAZ ULTRASÓNICO

Los transductores redondos se conocen a menudo como transductores de

fuente de pistón, porque el campo ultrasónico se asemeja a una masa

cilíndrica delante del transductor. Sin embargo, la energía en el haz no se

propaga en forma de un cilindro, sino que por el contrario se separa del haz

hacia fuera mientras se propaga a través del material. El fenómeno se

conoce generalmente como extensión del haz, pero algunas veces también


148

es conocido como divergencia del haz o difracción ultrasónica. Se debe

observar que hay realmente una diferencia entre la extensión del haz y la

divergencia del mismo. La extensión del haz es una medida del ángulo

completo, de lado a lado del lóbulo principal del haz ultrasónico en el

campo lejano. La divergencia del haz es una medida del ángulo a partir de

un lado del haz ultrasónico al eje central del haz, en el campo lejano. Por lo

tanto, la extensión del haz es dos veces la divergencia del mismo.

Fig. 2.10.30 Divergencia del haz ultrasónico.



Aunque la extensión del haz debe ser considerada al realizar una

inspección ultrasónica, es importante observar que en el campo lejano, o la

zona de Fraunhofer, la onda de presión máxima se encuentra siempre a lo

largo del eje acústico (línea central) del transductor. Por lo tanto, las

reflexiones más fuertes vienen con mayor probabilidad del área

directamente delante del transductor. La extensión del haz ocurre porque la

partícula del material que vibra (con la cual está viajando la onda) no

transfiere siempre toda su energía en la dirección de propagación de la

onda. Según las siguientes figuras, la extensión del haz es determinada en

gran parte por la frecuencia y el diámetro del transductor. La extensión del

haz es mayor al usar un transductor de baja frecuencia que al usar un

transductor de alta frecuencia. Si el diámetro del transductor aumenta, la

extensión del haz será reducida.

El ángulo de divergencia del haz es una consideración importante en la

selección del transductor por un par de razones. Primero, la extensión del


149

haz baja la amplitud de las reflexiones puesto que los campos ultrasónicos

se concentran menos y, por lo tanto es más débil. En segundo lugar, la

extensión del haz puede hacer más difícil la interpretación de las señales

debido a las reflexiones de los lados laterales del objeto de prueba, o de

otras características fuera del área de inspección. La caracterización del

campo ultrasónico generado por un transductor, es un requisito previo para

entender las señales observadas. La mitad del ángulo de divergencia (φ) se

calcula en forma teórica utilizando la fórmula siguiente:

Donde:

φ = Mitad del ángulo de divergencia

D = Diámetro del transductor

f = Frecuencia del transductor

v = Velocidad de la onda ultrasónica

λ = Longitud de onda La constante 1.22 en la ecuación anterior es usada

para una intensidad teóricamente nula (energía del haz ultrasónico de 0%).

2.10.14.2.5 TIPOS DE TRANSDUCTORES

Los transductores ultrasónicos son manufacturados para una variedad de

usos y aplicaciones. Se debe prestar atención al momento de seleccionar el

transductor apropiado para un determinado uso. Se han expresado algunos

factores que afectan la detectabilidad de una discontinuidad. Se sabe que es

importante elegir los transductores que tengan la frecuencia, ancho de

banda y focalización deseadas para optimizar la capacidad de la inspección.

El transductor se elige, la mayoría de las veces, para mejorar la sensibilidad

o la resolución del sistema. En la sección de anexos se pude consultar una

completa lista de transductores de diferentes tipos. Los transductores se

pueden clasificar de acuerdo a su aplicación: o Los transductores de


150

contacto se utilizan para las inspecciones de contacto directo, y son

generalmente manipulados a mano. Tienen una cubierta de protección, para

soportar la fricción al contacto con una variedad de materiales. Estos

transductores tienen un diseño ergonómico de modo que son fáciles de

agarrar y de moverse a lo largo de una superficie. Tienen a menudo

cubiertas reemplazables de desgaste para alargar su vida útil. Los

materiales acoplantes como agua, grasa, aceites o materiales comerciales,

se utilizan para quitar el exceso de aire entre el transductor y el

componente que es examinado.

Los transductores de contacto están disponibles en una variedad de

configuraciones para mejorar su utilidad para diversos usos. El transductor

plano de contacto, mostrado arriba, se utiliza en inspecciones normales del

haz de superficies relativamente planas, y donde la resolución cercana

superficial no es crítica. Si la superficie es curva, se puede necesitar una

zapata agregada a la cara del transductor que empareje la curvatura. Si la

resolución cercana superficial es importante o si una inspección con haz

angular es necesaria, se pueden utilizar transductores de contacto

especiales.

Los transductores duales, contienen dos elementos funcionando

independientemente en una sola cubierta. Uno de los elementos transmite y

el otro recibe la señal ultrasónica. Los elementos activos se pueden elegir

para que sus capacidades de emisión y recepción proporcionen al

transductor una señal más clara, así como los transductores para usos

especiales, tales como los utilizados en la inspección de materiales

granulosos. Los transductores duales están especialmente adaptados para

hacer medidas en aplicaciones donde los reflectores están muy cerca del

transductor, puesto que este diseño elimina el efecto de anillo que

experimentan los transductores de un solo-elemento (cuando los

transductores de un solo elemento están funcionando en modo pulso-eco, el

elemento no puede comenzar a recibir señales reflejadas hasta que el

elemento ha parado de emitir sonido desde su función de transmisión). Los


151

transductores duales son muy útiles al hacer medidas del espesor de

materiales finos y al examinar las discontinuidades cercanas superficiales.

Los dos elementos están orientados en ángulo, uno con respecto del otro,

para crear una trayectoria del sonido de haz cruzado en el material de

prueba.

Fig. 2.10.32 Transductor dual.



Los transductores de haz angular se utilizan típicamente para introducir

una onda refractada de corte en el material de prueba. Los transductores se

pueden comprar en una variedad de ángulos fijos o en las versiones

ajustables donde el usuario determina los ángulos de incidencia y de

refracción. En las versiones de ángulo fijo, el ángulo de refracción que está

marcado en el transductor, es solamente para un material en particular, que

es generalmente de acero. La trayectoria angular del sonido permite que el

haz ultrasónico sea reflejado, desde la pared posterior, para mejorar la

detectabilidad de discontinuidades, dentro y alrededor de áreas soldadas.

También se utilizan para generar ondas superficiales para el uso en la

detección de discontinuidades en la superficie de un componente.


152

Fig. 2.10.33 Transductores de haz angular.



Los transductores de inmersión no entran en contacto con el

componente. Estos transductores se diseñan para funcionar en un ambiente

líquido y todas las conexiones son herméticas. Los transductores de

inmersión tienen generalmente una capa de adaptación que los ayuda para

conseguir más energía ultrasónica en el agua y, alternadamente, en el

componente que es examinado. Los transductores de inmersión se pueden

comprar con un lente plano, cilíndrico focalizado o esférico focalizado. Un

transductor enfocado puede mejorar la sensibilidad y la resolución axial,

concentrando la energía sónica a un área más pequeña. Los transductores

de inmersión se utilizan típicamente dentro de un tanque de agua o como

parte de un sistema a chorro o burbujeante en aplicaciones de rastreo.

Fig. 2.10.34 Transductores de inmersión.




153

Los transductores de arreglo de fases están fabricados de manera tal, que

contienen en su chasis arreglos de múltiples cristales para facilitar la

inspección de distintas áreas de material, desde una sola posición del

transductor.

2.10.14.3 EQUIPOS ULTRASÓNICOS

En esencia todos los equipos ultrasónicos cumplen la función de generar y

recibir señales eléctricas, mismas que son medidas e interpretadas con ayuda

de distintos accesorios que proporcionan algunos modelos diversos.

Básicamente en el mercado existen detectores de fallas y medidores de

espesores, con diferentes presentaciones y funciones que facilitan el trabajo

de interpretación del inspector, sin embargo todos los equipos cuentan con

las mismas funciones básicas, para configurar los parámetros más

importantes de la inspección como son la frecuencia, el rango, entre otros.

Los instrumentos ultrasónicos son equipos de comparación contra un

estándar de referencia, por lo tanto, un instrumento ultrasónico se debe

calibrar antes de ser utilizado. Entonces, podemos decir que la calibración es

el proceso de ajustar el instrumento utilizando un estándar de referencia. La

mayoría de los instrumentos ultrasónicos, considerados para utilizarse en la

industria, son unidades que operan por la técnica pulso-eco con presentación

tipo “A”, los cuales, incluyen una gran variedad de configuraciones que

difieren en cuanto al grado de complejidad, portabilidad, tipo de pantalla,

capacidad de almacenamiento de datos en la memoria integrada, etc. En el

funcionamiento de un instrumento ultrasónico se incluye la determinación

del tiempo de aparición y de la amplitud de la señal; como accesorios que

pueden encontrarse integrados se puede mencionar a la curva DAC

electrónica, compuertas, monitor, medición de espesores digitalmente y

cálculos matemáticos de distancias, también en forma digital, cuando se

utiliza haz angular.


154

2.10.14.3.1 MEDIDORES DE ESPESORES

Este tipo de instrumentos están diseñados, específicamente, para

determinar las dimensiones del espesor de algún material y determinar si

existe algún desgaste debido a la corrosión producida por la reacción entre

el fluido contenido y las paredes internas del elemento de inspección. Los

programas que controlan estos dispositivos, realizan una compensación

automática del viaje de la onda ultrasónica, debido a la configuración de

los transductores duales, que son construidos con una ligera inclinación de

los cristales para provocar una focalización que le proporciona la

sensibilidad necesaria a la inspección. A causa de esta inclinación, el viaje

de la onda resulta ser mayor, y el cálculo final del recorrido del viaje

depende de la eficiencia del instrumento para realizar la compensación.

Dentro de la variedad de medidores de espesores existentes, se pueden

encontrar modelos básicos que proporcionan únicamente valores numéricos

del espesor; sin embargo aún el modelo más austero cuenta con funciones

para modificar la velocidad de propagación en el material, así como el

retardo del palpador, para poder ejecutar una calibración en distancia del

instrumento. La siguiente imagen muestra un equipo básico medidor de

espesores.

Fig. 2.10.36 Medidor de espesores básico.




155

Otras presentaciones que contienen funciones extra, pueden complementar

a un medidor de espesores, para su utilización en aplicaciones específicas

como pude ser la medición o discriminación de algún recubrimiento de

pintura u otro tipo de material aislante de la temperatura. En algunas

ocasiones dichas funciones son activadas con la adaptación de

transductores especiales, fabricados en configuraciones particulares para

una aplicación. Por ejemplo, la discriminación de recubrimientos se lleva a

cabo por medio de una función llamada Dual-Multi (aunque pude

conocerse con otro nombre según el fabricante). En este método un pulso

ultrasónico se transmite desde el transductor (elemento activo) del palpador

al material inspeccionado, sin embargo, en este método de medición con

eco múltiple, una parte de la energía del pulso ultrasónico se refleja en la

interfase entre el recubrimiento (capa de pintura) y el material

inspeccionado. El resto de la energía del pulso transmitido continua su

viaje a través del material inspeccionado y regresa como eco de pared

posterior.

El tiempo de vuelo entre dos ecos sucesivos de pared posterior se utiliza,

junto con la velocidad del ultrasonido en el material, para determinar el

espesor del material. Los ecos procedentes del recubrimiento son

ignorados. El principio de funcionamiento del modo de medición con eco

múltiple, utilizando un palpador de elemento sencillo (emisor-receptor), se

muestra en la siguiente figura.

Fig. 2.10.37 Método de medición Dual-Multi.




156

La dimensión mínima del espesor del recubrimiento representa una

variable importante en su medición, debido a la capacidad del equipo y al

rango de inspección del transductor. Para estos casos se pude contar con

medidores de espesores de pequeñas dimensiones, que además pueden

tener transductores de altas frecuencias integrados.

Así también es posible recurrir a instrumentos de alta precisión en

espesores pequeños, que trabajan con ayuda de transductores especiales de

diámetros reducidos y altas frecuencias (Ver anexos Transductores para

medidores de espesores). Además de este tipo de funciones, también

existen medidores de espesores con herramientas y presentaciones de

inspección más avanzadas, como son el barrido A y el barrido B. Las

presentaciones visuales del barrido representan una ventaja para el

inspector, ya que conociendo el comportamiento del sonido en el material,

se puede determinar si el eco considerado por las compuertas es realmente

la pared posterior o alguna otra discontinuidad, esto en el caso del barrido

“A”.

Fig. 2.10.38 Medidor de espesores de precisión con barrido “A”.



El barrido “B” es considerado como un corte transversal de la pieza

inspeccionada, el cual muestra cómo se presenta físicamente el deterioro o

cambio de sección de la pared posterior.


157

Esos sofisticados equipos le permiten al personal realizar, en algunos casos,

planes de inspección para determinados componentes, como por ejemplo

caldeas o recipientes sometidos a presión; cuentan además con una

memoria interna que permite almacenar los archivos de configuración y la

toma de lecturas.

2.10.14.3.2 DETECTORES DE FALLAS

El propósito fundamental de una prueba no destructiva es la detección de

alguna posible discontinuidad en un material. El desarrollo de la prueba por

ultrasonido, se ha marcado con el avance tecnológico de los detectores de

fallas. Desde la creación del reflectoscopio ultrasónico, hasta la actual

tecnología del Arreglo de fases, los detectores de fallas han evolucionado

en su configuración física, así como en el software que permite realizar una

inspección cada vez más sencilla. Los primeros detectores tenían un

cinescopio que convertía al equipo en un instrumento muy pesado, además

sus funciones eran configuradas con ayuda de perillas, de manera

analógica. Estos instrumentos ya contaban con funciones básicas como

configuración de la frecuencia, rango, retardo del palpador, entre otras, sin

embargo la inspección se limitaba a interpretar una señal sin ningún otro

dato proporcionado por el equipo.

El avance en los sistemas computacionales ha permitido la fabricación de

circuitos cada vez más pequeños, y con esto los equipos actuales son más

pequeños y ligeros, además los cinescopios se han reemplazado por

pantallas de cristal líquido (LCD), con propiedades transflectivas, es decir

que proporciona la misma definición ya se en presencia o ausencia de luz.

Al igual que los medidores de espesores, existen diversos modelos en

detectores de fallas, que van desde los más básicos con funciones

principales y calibraciones manuales, además de tener una definición pobre

y poca resolución. Existen equipos más avanzados que cuentan con la

posibilidad de poder almacenar datos y calibraciones, además de poderse


158

calibrar en modo automático e incluso pueden evaluar discontinuidades con

la ayuda de algunos accesorios como son las curvas de corrección

Distancia – Amplitud (DAC). La resolución de estos equipos es

considerablemente mayor, y proporcionan ayuda visual con la

configuración del color del tipo de onda, las piernas en el caso del haz

angular y del fondo de pantalla, para un mejor contraste con el medio.

Fig. 2.10.39 Detectores de fallas.



Otra característica de estos nuevos instrumentos, son las lecturas que nos

proporcionan al momento de que alguna compuerta toca una indicación.

Algunos equipos las identifican, en el caso de trabajar con haz angular,

como Distancia angular (Sa), Distancia Horizontal, dese el punto índice del

transductor hasta la discontinuidad (Pa) y la Profundidad de la

discontinuidad (Da), entre algunas otras. Los equipos mas avanzados en el

campo de la detección de fallas, son los detectores con arreglo de fases, una

técnica que trabaja con el mismo principio del ultrasonido, pero con la

ventaja de emitir múltiples señales por medio de transductores especiales

que pueden contener hasta 128 cristales, para que el equipo proporcione

una imagen definida del interior de la pieza, y con esto realizar

interpretaciones más rápidas sencillas. A esta imagen se le conoce como

barrido sectorial o barrido “S”.


159

Fig. 2.10.40 Inspección con arreglo de fases.



2.10.14.3.3 OTROS EQUIPOS Y SISTEMAS

La técnica de inspección ultrasónica ha encontrado aplicación en casos

especiales de la industria. Los fabricantes han desarrollado todo tipo de

equipos y sistemas que permiten monitorear componentes en servicio, con

la mayor rapidez y facilidad de interpretación. Desde la industria

automotriz, hasta la determinación de pared remanente en tuberías de la

industria energética, los sistemas representan un ahorro en tiempos de

inspección y manejo de grandes cantidades de información, además de la

posibilidad de poder automatizarlos en una línea de producción. Entre estos

encontramos a los sistemas de inmersión, una aplicación ultrasónica

automatizada en la que se sumergen las piezas a inspeccionar en un

contenedor lleno de acoplante. Estos sistemas representan un ahorro en

medios acoplantes y en transductores, ya que se puede manipular

fácilmente el ángulo de incidencia solo inclinando el transductor. La

presentación que se obtiene en este caso es un barrido “C”, que se

considera una toma de la vista superior de la pieza inspeccionada.

Conforme el transductor recorre la zona de barrido, la imagen se actualiza

mostrando cualquier discontinuidad interna.


160

Fig. 2.10.41 Sistema de inmersión con barrido “C”



La industria automotriz es una de las que más hace uso de los sistemas de

inspección por ultrasonido. Particularmente, la inspección de puntos de

soldadura (spot weld), es una actividad muy importante en el control de

calidad de piezas ensambladas por este medio. Es por eso que se desarrolló

un sistema de evaluación automática de puntos de soldadura. Este tipo de

instrumentos requieren una configuración de comparación con un estándar

establecido, para poder identificar un punto bueno de uno malo, por medio

del tipo de señal calibrada y la respuesta obtenida por el equipo.

En la determinación del espesor de tuberías y recipientes sometidos a

presión, existen sistemas equipados con programas capaces de manejar

grandes cantidades de datos, provenientes, ya sea de múltiples equipos

medidores de espesores o de una serie de sensores (lo que en el medio se

conoce como corrida de diablo u ondas guiadas).

Por último se menciona a los equipos convencionales, montados en

diferentes dispositivos mecánicos, para facilitar el acceso a lugares remotos

y complicada configuración de la superficie.

Las imágenes anteriores muestran dos aplicaciones de detección de fallas;

la primera es un barrido vertical sobre un recipiente de gran altura, por lo


161

cual el transductor es montado en este robot magnetizado y controlado de

manera remota. La siguiente aplicación se utiliza en la inspección de rieles

de ferrocarril, y es realizada con ayuda de un patín con dos ruedas, que se

desplaza sobre el riel, manteniendo un juego de transductores en con tacto

con la superficie.

2.10.14.4 TÉCNICAS DE INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO

2.10.14.4.1 ACOPLANTE

Una vez que se han discutido las bases teóricas del comportamiento de las

ondas ultrasónicas a través de los materiales, y que se han descrito a

manera general el tipo de equipos y elementos transductores existentes en

el mercado, se plantean a continuación las características y procedimientos

a seguir en la realización de una inspección ultrasónica. La primera

consideración que se debe de tomar en cuenta en una inspección, será el

uso de un acoplante. El propósito principal del acoplante es eliminar el aire

existente entre la superficie del transductor y la pieza de prueba. Esto se

hace debido a que una fina capa de aire entre estas superficies, es suficiente

para impedir el paso del ultrasonido desde el transductor a la pieza, a causa

de la diferencia de impedancias acústicas entre el aire y los sólidos, la cual

es muy grande. Las propiedades de un acoplante deben cubrir ciertos

requisitos para que no dañen la superficie del material examinado. Se

utiliza por lo general agua, que es un elemento fácil de conseguir y

accesible, pero se le pueden agregar algunos agentes antioxidantes para

evitar una reacción con la superficie. Otros acoplantes incluyen a los

aceites, grasas, glicerinas, gel, pastas, etc. Para la venta en el mercado se

pueden encontrar presentaciones especiales de acoplante, desde gel

químicamente apropiado para no reaccionar con los materiales

inspeccionados, que además cuenta con altos puntos de evaporación,

viscosidad y humectabilidad adecuadas; hasta presentaciones en polvo para

preparar la cantidad necesaria y poder almacenarlo más fácilmente.


162

2.10.14.4.2 INSPECCIÓN CON HAZ RECTO

Para realizar inspecciones con haz recto se requiere un transductor de un

cristal o dos cristales, dependiendo la aplicación, ya sea detección de fallas

o medición de espesores, respectivamente. El método de acoplamiento

comúnmente utilizado, en las inspecciones generales es el contacto entre el

transductor y la pieza de prueba, y la técnica de inspección más utilizada es

denominada de Pulso-Eco, es decir, el transductor emite una onda

ultrasónica a través del material, y cuando la onda encuentra a su paso una

interfase acústica o algún reflector o discontinuidad, esta onda regresa a la

fuente emisora. Los equipos de ultrasonido se encargan de emitir y recibir

señales eléctricas provenientes del transductor, las cuales son graficadas en

pantalla en una presentación llamada barrido “A”. Una presentación de

barrido “A” esta compuesta por un sistema de dos ejes; el eje vertical

representa la cantidad de energía que la onda va perdiendo mientras recorre

el espesor de la pieza de prueba. Esta escala esta seccionada en cinco o diez

divisiones; la altura máxima de la escala representa el 100% de energía. La

altura que alcanza una señal en esta escala, puede ser regulada con un

control de amplitud o Ganancia de la señal, el cual contienen todos los

equipos ultrasónicos. El control de Ganancia se modifica en unidades de

Decibeles (dB), unidad relativa empleada en Acústica para expresar la

relación entre dos magnitudes acústicas o entre la magnitud que se estudia

y una magnitud de referencia. Es la principal unidad de medida utilizada

para el nivel de potencia o nivel de intensidad del sonido. Por otro lado el

eje horizontal esta seccionada en cinco o diez divisiones, divididas a su vez

en cinco subdivisiones cada una (que pueden ser configuradas dependiendo

el equipo que se utilice). Representa el tiempo que tarda la señal

ultrasónica en recorrer el material, desde su emisión hasta el momento en

que encuentra un reflector o interfase acústica para regresar nuevamente a

la fuente emisora. Los equipos ultrasónicos traducen este tiempo, al que

también se le conoce como tiempo de vuelo (Time of Fly), en unidades de

longitud, es decir la escala horizontal nos muestra el recorrido de la onda


163

(emisión y recepción), dividida entre dos, para mostrar el espesor del

material; la función que permite configurar esta escala es el Rango o

Campo. En este tipo de inspecciones existe siempre una señal, ubicada

cerca del costado izquierdo de la pantalla, la cual es generada por las

variaciones existentes en el campo cercano del haz ultrasónico. Esta señal

es conocida como pulso inicial y es un obstáculo para la detección de

discontinuidades cercanas a la superficie. Es una característica de los

transductores que presenten un pulso inicial mayor, mientras se aumenta la

frecuencia y se disminuye su tamaño. Para estos casos es muy común

encontrar accesorios que ayudan a disminuir los efectos del pulso inicial,

llamados líneas de retardo, y sirven para alojar esta señal dentro de ellas,

colocándolas en la superficie de contacto del transductor. Además de esta

función, las líneas de retardo también evitan el desgaste prematuro de los

transductores y algunas soportan altas temperaturas, además pueden ser

maquinadas para lograr un mejor acoplamiento en alguna superficie curva.

Fig. 2.10.46 Línea de retardo



La presentación en barrido A tiene otras características que se pueden

identificar fácilmente, como es una línea continua que se muestra, cerca de

la base de la pantalla, cuando aun no se ha acoplado el transductor sobre la

pieza, llamada línea de tiempo base; una vez que hay contacto y que la

onda encuentra un reflector, aparece una señal a la distancia en que se

encuentra el reflector. La siguiente imagen representa la detección de una

discontinuidad en un material, mostrada en la pantalla del equipo.


164

Fig. 2.10.47 Detección de una discontinuidad con haz recto.



2.10.14.4.3 CALIBRACIÓN CON HAZ RECTO

Antes de realizar una inspección con un equipo ultrasónico, es necesario

calibrar el equipo para obtener lecturas de distancia, exactas y confiables.

Hay dos parámetros importantes que se ajustan al calibrar un equipo en

distancia, el primero es la velocidad de propagación de la onda ultrasónica,

a través del material de prueba; este ajuste es relevante debido a que se

trata de una propiedad específica de cada material, lo que obliga al

inspector a realizar una calibración por cada material distinto que se

inspeccione. El segundo es el retardo del probador, (o zero offset) que es la

distancia a partir de la cual se considera el cero en la lectura de longitud.

Esta distancia la toma el equipo, inicialmente, desde la superficie inferior

del elemento activo y no desde la superficie de contacto entre el transductor

y la pieza.


165

Fig. 2.10.48 Retardo del palpador.



Es necesario contar con un bloque de calibración, que tenga diferentes

espesores conocidos, y es recomendado por algunos documentos que sea

fabricado bajo las mismas condiciones que las de la pieza de prueba. Los

fabricantes suelen entregar un bloque certificado, fabricado en un acero

estructural, con el que se puede corroborar el buen funcionamiento del

equipo; sin embargo para inspeccionar un material en especial, es

recomendable siempre realizar la calibración sobre un bloque hecho con las

especificaciones anteriores, o en su defecto sobre espesores conocidos de la

misma pieza.

Se deben generar dos señales a diferentes distancias, con ayuda de los

espesores del bloque, para configurar el equipo ultrasónico. A este tipo de

calibración se le conoce como calibración a dos puntos, y se realiza el

ajuste en un rango de espesores. Esto significa que los resultados más

confiables se obtendrán en piezas que tengan un espesor que se encuentre

dentro de este rango. Para ilustrarlo mejor, según el siguiente ejemplo, se

desea inspeccionar una pieza de 0.500 in de espesor, por lo que el equipo se

puede calibrar en un rango de 0.100 a 0.500 in, para garantizar que

encontraremos o mediremos cualquier discontinuidad, de manera confiable,

en este rango establecido. Se deben tomar en cuenta siempre las

características del transductor, debido a que cada transductor tiene un rango

o alcance de inspección, afectado por variables como la frecuencia, el


166

diámetro, y en el caso de los transductores duales, la inclinación de los

cristales.

Los primeros ajustes en el equipo serán para el rango y la velocidad de

propagación. La velocidad en este caso corresponderá a la velocidad

longitudinal (ya que se trata de haz recto) del sonido en acero. Para este

caso se toma el valor de 0.2320 in/µs (ver sección de anexos tablas de

referencia), que es la velocidad de propagación en acero 1020, como un

valor de referencia, el cual se ajustará posteriormente para tener el valor

real del material de prueba. Por otro lado, el rango tiene que ser suficiente

para permitirnos ver el eco de pared posterior en pantalla; por lo tanto si

nuestra pieza tiene 0.500 in de espesor, será suficiente ajustar la escala

horizontal a un valor de 1.000 in. Otros dos ajustes previos serán el cero

del palpador o retardo del probador, con lo que el equipo empieza a medir a

partir de la cara inferior del elemento activo; y finalmente el retardo de la

pantalla que establece el origen o cero, de la escala horizontal, en la

esquina inferior izquierda de la pantalla. Dependiendo las versiones del

equipo, se deberá tener cuidado de realizar más ajustes previos, como

pueden ser, el apagar la función Dual, ajustar el ángulo del transductor a

cero, introducir los valores del voltaje y el amortiguamiento del pulso

eléctrico para obtener la mejor señal, encender por lo menos una

compuerta, encender los valores de medición que mostrara el equipo, entre

algunas otras. En la siguiente imagen se muestran los ajustes de las

funciones básicas.


167

Fig. 2.10.49 Ajustes básicos en un equipo ultrasónico.



Una vez realizados los ajustes previos, se debe establecer la forma de llevar

a cabo la calibración; algunos equipos proporcionan la oportunidad de

hacerlo en modo automático, sin embargo los equipos básicos, requieren un

ajuste de manera manual. Para la calibración manual se debe colocar

primeramente el transductor sobre el espesor menor conocido, para generar

la primera señal. Para esta primera señal, el equipo proporcionará el valor

del espesor (recorrido de la onda) en la pantalla, identificado como Sa. Para

lograr esto es importante que el accesorio llamado “compuerta” (la línea

horizontal que se muestra en la imagen), toque la señal obtenida. El valor

del espesor leído en Sa deberá ajustarse al espesor real conocido, con ayuda

de la función de Retardo del Palpador (en este caso P-DELAY). El valor

final del Retardo del Palpador no será relevante para el inspector, ya que

únicamente garantizará que el equipo considere el inicio de la lectura a

partir de la superficie de la pieza; pero si es importante que el espesor en Sa

corresponda al espesor real, en este ejemplo corresponderá al espesor de

0.100 in.


168

Fig. 2.10.50 Calibración de referencia 1 con haz recto.



El siguiente paso es colocar el transductor en el espesor mayor, que en este

ejemplo es de 0.500 in. Se coloca la compuerta en el eco generado y el

valor leído en Sa debe ser aproximado a 0.500 in. Si necesita ajuste, el

valor se modifica con ayuda de la función Velocidad (MTLVEL), que fue

el valor de referencia que se introdujo anteriormente. Cuando el valor leído

sea de 0.500 in, el valor de la velocidad habrá cambiado, lo que significa

que se ha ajustado la velocidad real de propagación del material. De igual

manera solo es relevante para el inspector el valor de Sa.

Fig. 2.10.51 Calibración de referencia 2 con haz recto.




169

Este procedimiento se debe repetir las veces que sea necesario,

corroborando que ambas lecturas en Sa correspondan al espesor medido.

Con algo de práctica la calibración manual no debe tomar más de cinco

minutos para realizarla. Para los equipos que cuentan con calibración

automática, únicamente se les proporcionan los dos valores de referencia

(espesores) y el equipo ajustará automáticamente los valores del Retardo

del Palpador y la Velocidad.

2.10.14.4.4 DETECCIÓN DE DISCONTINUIDADES

Una vez que se ha realizado la calibración en distancia del equipo, se pude

proceder a inspeccionar una pieza. Para el ejemplo anterior, la pieza tiene

un espesor de 0.500 in, el equipo se calibró en un rango de 0.100 a 0.500

in, lo que nos garantiza encontrar y medir posibles discontinuidades en este

rango. La siguiente imagen ilustra la detección de una discontinuidad en

esta pieza. Se pude ver que la discontinuidad impide el paso del ultrasonido

hasta la pared posterior, es por eso que en el equipo solo se puede ver un

eco producido por la discontinuidad. Además se muestra la profundidad a

la que se encontró la interrupción y se puede leer el valor en Sa. Si se desea

conocer el tamaño exacto de una discontinuidad, se pude recurrir a otros

ajustes de comparación con reflectores conocidos. Estos ajustes se discuten

más adelante con mayor detalle.

Fig. 2.10.52 Detección de una discontinuidad con haz recto.




170

La localización de defectos en un material de prueba está en función de la

detectabilidad, que corresponde a la habilidad de un sistema de inspección

ultrasónica para detectar la presencia de una discontinuidad. La

detectabilidad está determinada por una serie de variables tanto de la pieza

que está siendo inspeccionada como de la propia discontinuidad.

Variables de la pieza inspeccionada

1. Condición superficial. La rugosidad superficial y superficies con

pintura mal adherida, óxido o corrosión pueden alterar los resultados de la

inspección y pueden evitar que se realice una inspección completa debido a

que se produzca dispersión del ultrasonido o por que exista un mal

acoplamiento, lo anterior puede causar:

a) Pérdida de amplitud de indicaciones de discontinuidades.

b) Pérdida del poder de resolución debido al incremento en la longitud del

campo muerto.

c) Un haz ultrasónico muy ancho debido a la dispersión desde la superficie.

Para minimizar estos efectos podrían ser removidos tanto la pintura, el

óxido y la corrosión, antes de realizar la inspección.

2. Geometría de la pieza. Cuando la superficie posterior no es paralela a la

superficie frontal, o cuando la divergencia del haz alcanza una superficie

lateral de la pieza, se puede producir dispersión y conversión de modo, por

lo cual se pueden generar indicaciones sobre la pantalla del instrumento

que puedan crear confusión. En la inspección de piezas con superficies

paralelas es importante monitorear la reflexión de pared posterior para

evaluar y asegurar que la onda ultrasónica pasa adecuadamente a través de

la pieza.

3. Superficies de acoplamiento curvas. Cuando la superficie de

acoplamiento es curva se pueden presentar problemas debido a la energía

de la onda ultrasónica que regresa al transductor, por ejemplo, si es una


171

superficie cóncava la onda podría ser focalizada, y si es una superficie

convexa la onda podría ser dispersada en forma de un haz ancho. Si la

superficie de la pieza es curva, más allá de ciertos límites, se puede requerir

el uso de zapatas con superficie curva.

4. Estructura interna de la pieza. Como sabemos, discontinuidades

inherentes de la pieza y los bordes de grano pueden producir dispersión de

la onda ultrasónica, esto reduce la energía disponible para la detección de

discontinuidades y como consecuencia la amplitud de sus indicaciones, y

además, produce señales en la pantalla del instrumento conocidas como

“ruido” o “pasto”, que causan interferencia (relación señal-ruido), ver la

siguiente figura. Este problema es mayor cuando se incrementa la

frecuencia y es más notable en materiales con estructura de grano grande.

Fig. 2.10.53 Relación señal – ruido.



Variables de la discontinuidad

1. Tamaño de la discontinuidad. Para que una discontinuidad pueda ser

detectada, en teoría, debe tener un tamaño igual o mayor a media longitud

de onda. Se puede determinar el tamaño de discontinuidades teóricamente

detectables utilizando la fórmula que relaciona la longitud de onda, la

frecuencia y la velocidad acústica. Por otro lado, para discontinuidades

perpendiculares a la dirección en la que viaja la onda ultrasónica, la

reflexión de la onda, producida por la discontinuidad, y la amplitud de la


172

indicación en la pantalla del instrumento, se incrementan si el área de la

discontinuidad, perpendicular a la dirección de la onda, se incrementa y

viceversa, como se muestra a continuación.

Fig. 2.10.54 Tamaño de la discontinuidad



2. Impedancia acústica. La relación de impedancias acústicas, entre la

pieza inspeccionada y las discontinuidades presentes, es muy importante.

La reflexión de la energía ultrasónica es mayor si la diferencia en valores

de impedancias es mayor y la reflexión de la energía ultrasónica es menor

si la diferencia en valores de impedancias es menor, debido a lo anterior, se

considera que lo mejor es que una discontinuidad contenga aire.

3. Dispersión del haz producida por la discontinuidad. La energía de

una onda ultrasónica puede ser dispersada por una discontinuidad, esta

dispersión puede incrementarse debido a:

a) La reducción en la frecuencia utilizada en la inspección.

b) El incremento en la rugosidad superficial de la discontinuidad. c) La

reducción en el tamaño de la discontinuidad.

4. Orientación de la discontinuidad. La mejor orientación de una

discontinuidad, para que sea fácilmente detectada, es que se encuentre

perpendicular a la dirección en la que viaja la onda ultrasónica. Para ayudar


173

a identificar la presencia de discontinuidades que no son perpendiculares

con respecto a la dirección de la onda ultrasónica, y si la geometría lo

permite, se puede monitorear la reflexión de pared posterior. Una reducción

en la reflexión de pared posterior acompañada por una o varias

indicaciones de baja amplitud pueden indicar la presencia de una o varias

discontinuidades con diferentes orientaciones. La siguiente figura ilustra el

efecto de la orientación sobre la detectabilidad.

Fig. 2.10.55 Orientación de las discontinuidades.



En resumen, es muy importante controlar las condiciones que pueden

afectar una inspección con haz recto; para poder obtener resultados

satisfactorios. Este estudio estará a cargo de un nivel III y deberá ponerse a

consideración de los interesados como clientes, proveedores o fabricantes,

con el fin de aprobar y calificar un procedimiento de inspección.

2.10.14.4.5 INSPECCIÓN CON HAZ ANGULAR

Cuando un palpador de haz angular, que esté conectado a un equipo de

ultrasonido, se acopla sobre la superficie de una placa, el haz de ondas

longitudinales emitido por el cristal del palpador se refracta al atravesar la


174

interfase, convirtiéndose en un haz de ondas de corte. Éste haz se propaga

en “zig-zag” a través de la placa como se ilustra en la siguiente figura.

Fig. 2.10.56 Propagación de ondas de corte



Si en su camino el haz de ondas de corte no encuentra ningún reflector con

orientación favorable, continuará su propagación a través de la placa y en

la pantalla no habrá ninguna indicación. Imaginemos ahora que el haz de

ondas de corte incide en el borde de la placa, como se ve en las siguientes

figuras. En éste caso, aparecerá un eco en la pantalla y, siempre que el

rango elegido en el equipo sea el adecuado, la reflexión se producirá bien

cuando el haz incida en la esquina inferior o bien cuando incida en la

esquina superior

.

Fig. 2.10.57 Incidencia de la onda transversal en el borde de una placa.




175

De lo anterior se deduce que se pueden obtener las reflexiones

correspondientes a las esquinas inferior y superior, del borde de la placa,

sin más que situar el palpador de forma que el haz incida primeramente en

la esquina inferior y después en la esquina superior (después de haber

sufrido una reflexión en la superficie inferior de la placa). La reflexión en

la esquina inferior del borde de la placa se produce a una distancia que

identificaremos como SD/2, entre el punto de salida del haz del palpador y

el borde de la placa, y la reflexión en la esquina superior se produce a una

distancia SD, veamos ahora la siguiente figura.

Fig. 2.10.58 Distancia de salto y de medio salto.



Como se puede observar en el lado izquierdo de la figura, por la forma en

“V” del recorrido del haz ultrasónico hasta completar la SD, se le da el

nombre de “Trayectoria en V”. La distancia recorrida por el haz ultrasónico

hasta la superficie inferior de la placa (DAI) se conoce como la “Primera

Pierna” de la trayectoria en “V”, y la distancia desde la superficie inferior

hasta la superior (DAII) es la segunda pierna, y así sucesivamente. Con

base ahora en la figura siguiente, se puede deducir que el haz barre toda la

sección transversal de la placa al desplazar el palpador entre las distancias

SD y SD/2. A la distancia SD se le denomina “Distancia de Salto”, o

distancia brinco (por su nombre en Inglés: Skip Distance) y a SD/2,

“Distancia de Medio Salto”. Conociendo el ángulo de refracción del haz


176

ultrasónico (θ), marcado en el palpador, y el espesor se pueden calcular las

distancias SD y SD/2.

Fig. 2.10.59 Distancia de medio salto.



En efecto, de la figura anterior se deduce que:

Por lo que despejando:

Los palpadores angulares cuentan, para su ángulo de refracción, con el

factor 2 tg θ por lo cual, el conocer la distancia de salto y de medio salto es

cuestión, únicamente, de conocer el espesor de la placa.

2.10.14.4.6 UBICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADES CON HAZ ANGULAR

Supongamos que al verificar una placa con palpador angular se detecta una

discontinuidad; ésta discontinuidad producirá, si es de orientación

favorable al haz, una indicación en la pantalla del equipo, como se ilustra a


177

continuación. Observe que en este caso la señal de pulso inicial no aparece,

debido a que queda alojada dentro de la zapata. Consideremos que la

posición de la discontinuidad dentro de la placa es indicada en la figura de

la pantalla, si el equipo ha sido calibrado en recorrido del haz podemos

conocer, sin más que leer directamente en la pantalla, la distancia angular

(DA) a la que se encuentra la discontinuidad.

Fig. 2.10.60 Detección de una discontinuidad con haz angular.



Ahora bien, recurriendo a expresiones trigonométricas sencillas tendremos

que:

Donde:

DS = Distancia superficial

DA = Distancia Angular


178

θ = Ángulo de refracción

Como el ángulo θ es conocido, puesto que es el ángulo de entrada del haz,

recurriendo a las expresiones anteriores podremos determinar la distancia

superficial a la cual se encuentra la discontinuidad, medida sobre la

superficie de la placa, así como la profundidad.

Consideremos ahora que la discontinuidad se localiza después de una

reflexión del haz en la superficie inferior de la placa, como se ve a

continuación; observando en la pantalla del equipo veremos que la

distancia angular a la que aparece la discontinuidad es lógicamente mayor.

Fig. 2.10.61 Detección de una discontinuidad con segunda pierna.



Considerando las expresiones anteriores, ahora tendremos que:

DS = DA x Sen θ (14.1) (la misma que para la Primera Pierna), y

Profundidad = 2e (DAI + DAII) Cos θ (16) por lo tanto:

Profundidad = 2e – (DAT x Cos θ) (16.1)

Donde: DS = Distancia superficial

DA = Distancia angular (DAT)

DAT = Distancia angular total (DAI + DAII)

θ = Ángulo de refracción


179

Sucesivamente, el cálculo de la profundidad a la que se encuentra una

discontinuidad depende de la “Pierna” con la cual sea detectada, esto se

debe a que se aplican expresiones matemáticas diferentes.

2.10.14.4.7 CALIBRACIÓN CON HAZ ANGULAR

Antes de llevar a cabo cualquier tipo de inspección, siempre es necesario

realizar el ajuste del instrumento ultrasónico. En la inspección con palpador

de haz angular, la calibración también es siempre necesaria. Recordemos

que, para calibrar un instrumento ultrasónico, se necesitan al menos dos

ecos de referencia. El procedimiento de calibración es el mismo que el

empleado con haz recto; se ajustan los dos ecos de referencia con el

Retardo del Palpador y la Velocidad, respectivamente. En general son

usados dos métodos para la calibración con palpador de haz angular:

a. Método por coordenadas polares

El método por coordenadas polares requiere la medición de la línea central

del haz en la interfase palpador / pieza, y del ángulo de refracción del haz

en un bloque de prueba. El barrido del instrumento es calibrado a lo largo

de la línea central del haz. La información de la inspección es gráficamente

convertida en coordenadas de posición y profundidad para la localización

del reflector. Para la calibración en distancia se recurre al radio y la

superficie reflectora de un arco, con una longitud de al menos 90°, ya que

la respuesta es igual para todos los ángulos. Para la calibración en

sensibilidad-amplitud se utilizan barrenos laterales paralelos a las

superficies y perpendiculares al recorrido del ultrasonido y, en ciertos

casos, ranuras superficiales. Bajo ciertas circunstancias, la calibración de

sensibilidad-amplitud debe ser corregida debido a variaciones de

acoplamiento y efectos de la distancia y la amplitud. Para la calibración

con el método por coordenadas polares se puede recurrir al uso de los

bloques de prueba del Tipo Instituto Internacional de Soldadura (IIW) y


180

otros tipos de bloques de calibración diseñados para la Inspección

Ultrasónica. El propósito de utilizar estos bloques es facilitar el ajuste y la

calibración del equipo ultrasónico detector de fallas. Para calibrar en el

bloque IIW tipo 1, es importante conocer la distancia de las señales de

referencia, para seguir con el procedimiento explicado para haz recto. Las

distancias con el transductor colocado en la siguiente posición, son de 4 in

y 9 in respectivamente, y son obtenidas por el rebote de la onda ultrasónica

en las diferentes interfases acústicas, como son la curvatura del bloque y la

ranura inferior. Con esto ajustamos el equipo en un rango de 4 a 9 in; si se

desea un rango menor, solo se coloca el transductor en una posición inversa

y las nuevas distancias serán de 1 in y 6 in respectivamente.

Fig. 2.10.62 Calibración con haz angular y bloque IIW.



Los bloques pueden ser usados para:

La calibración del barrido

El ajuste de la energía del pulso y la amplificación

La confirmación de la estabilidad y la operación adecuada del instrumento

La determinación de las características de los transductores, como su

sensibilidad y, en el caso de los palpadores, la localización del punto índice


181

de salida del haz, la longitud del recorrido en la zapata y el ángulo de

refracción.

Los bloques del Tipo IIW son primeramente intentados para caracterizar y

calibrar sistemas de haz angular, y también cuentan con características para

usos tales como la verificación de la resolución y sensibilidad con haz

recto. Otros bloques, además de aquellos derivados del Bloque de

Calibración IIW 1, pueden ser utilizados para la calibración en distancia y

sensibilidad. Estos bloques son: el bloque para Calibración en Distancia

Tipo DC, el bloque para Calibración en Sensibilidad Tipo SC, el bloque

para Calibración en Distancia y Sensibilidad Tipo DSC y el bloque

Miniatura para Calibración de Haz Angular (versión de EU para el Bloque

de Calibración IIW 2, pero con variaciones significativas), MAB por su

nombre en Inglés.

b. Método por coordenadas rectangulares

El método por coordenadas rectangulares requiere la medición de la

posición del reflector desde el frente del transductor, el barrido del

instrumento es calibrado para la profundidad del reflector conforme es

movido a diferentes posiciones en el haz, proporcionando una curva de

distancia amplitud (curva DAC). La información de la inspección se lee

directamente para la posición y profundidad hasta el reflector. Este método

cubre: • La calibración del rango de barrido, sobre el rango de inspección •

La calibración en sensibilidad • La calibración de distancia-amplitud (curva

DAC) • La calibración de la posición de la profundidad con respecto a la

parte frontal del palpador y la superficie de inspección • Comparación de la

resolución de diferentes sistemas de inspección • Corrección de la

calibración para reflectores planos perpendiculares a la superficie de

inspección o cercanos a la superficie • La divergencia del haz Para la

calibración son usados juegos de barrenos laterales, paralelos a la

superficie y perpendiculares al recorrido del ultrasonido, y ranuras

superficiales. Los reflectores pueden ser colocados en un bloque fabricado


182

con el exceso de la soldadura o de un material similar y del mismo espesor.

Los diámetros de los barrenos cambian con el espesor de la soldadura. Los

barrenos son colocados a 1/4, 1/2 y 3/4 del espesor del bloque y las ranuras

sobre dos superficies opuestas, las de mayores dimensiones.

Fig. 2.10.63 Ajuste con barrenos laterales para la curva DAC



Como Nota Importante, en general, es importante señalar que las esquinas

cuadradas de los bloques de calibración no deberían ser utilizadas para

realizar la calibración en distancia ni, mucho menos, para la calibración en

sensibilidad.

2.10.14.4.8 INSPECCIÓN CON ARREGLO DE FASES

Básicamente el Arreglo de Fases es el mismo principio de inspección por

ultrasonido, pero incorpora probadores con elementos múltiples (cristales),

con un control por computadora de cada elemento en tiempo para obtener

imágenes de tiempo real y simplificar el método de prueba no destructiva.


183

Fig. 2.10.64 Diferencia entre el ultrasonido convencional y arreglo de

fases.


TECHNOLOGY APLICATIONS” – Olympus

La tecnología de arreglo de fases es la habilidad de modificar

electrónicamente las características acústicas del palpador. Las

modificaciones al palpador se realizan introduciendo retardos de tiempo en

las señales enviadas (pulso) y recibidas (eco), por los elementos

individuales de un arreglo. Cualquier técnica ultrasónica para detección y

medición de defectos puede ser aplicada utilizando palpadores de arreglo

de fases. La fabricación del palpador de arreglo de fases es similar a la de

un palpador convencional:

Fig 2.10.65 Configuración de un transductor de arreglo de fases.


TECHNOLOGY APLICATIONS” – Olympus


184

Un arreglo lineal (1D) de un transductor, es básicamente un gran palpador

convencional cortado en muchos elementos pequeños, que pueden ser

excitados individualmente:

Fig. 2.10.66 Arreglo lineal de un transductor de arreglo de fases.

Fuente: “ADVANCES IN PHASED ARRAY ULTRASONIC


A los pequeños elementos que se excitan individualmente se les aplica un

retardo de tiempo para crear el efecto deseado: focalización y ángulo

específicos.

Fig. 2.10.67 Retardo de un frente de onda plana.



Los pequeños frentes de onda pueden ser retardados en tiempo y

sincronizados en fase y amplitud, como por ejemplo el camino que crea un

haz. Este frente de onda está basado en la interferencia constructiva, y

produce un haz ultrasónico focalizado con capacidad de manejo. Un

diagrama de bloque de las señales de retardo emitidas y recibidas desde el

equipo de arreglo de fases se presenta en la siguiente figura.


185

Fig. 2.10.68 Generación y recepción de pulsos en arreglo de fases.



2.10.14.4.9 CALIBRACIÓN CON ARREGLO DE FASES

Los equipos de arreglo de fases requieren una configuración previa para

establecer los parámetros necesarios para la inspección. Algunos de estos

parámetros se explican a continuación:

Ganancia analógica. Este tipo de equipos cuentan con un control adicional

de ganancia, para regular la amplitud de las señales e imágenes, y sirven

como reserva para mejorar la visualización de una señal.

Algunos equipos cuentan con una lista de materiales de prueba, para elegir

el valor de referencia de la velocidad de propagación, sin necesidad de

recurrir a tablas.


186

Estos equipos consideran el ajuste del rango como el número de piernas

que se desean ver en la imagen.

Los ajustes del pulso eléctrico que se envía al transductor están en función

de su frecuencia, y son el voltaje y ancho del pulso.

Al igual que los equipos convencionales, se deben configurar las

características del transductor como es la frecuencia, retardo del palpador y

datos propios del arreglo de fases como es el número de elementos y el

espacio entre elementos (Pitch).

También es indispensable configurar datos sobre la zapata como la

distancia del índice al frente de la misma (Wedge Front), la posición del

elemento o cristal identificado como 1, la velocidad de propagación en la

zapata y el ángulo de refracción (aunque se va a poder modificar

electrónicamente).

Algunos de los parámetros más importantes son los datos de la pieza a

inspeccionar, en especial su espesor.

Posteriormente se realizan los ajustes para manipular el haz

electrónicamente. Se activa o desactiva la focalización, si es necesario

introduciendo la longitud deseada. Se establece la apertura del barrido

sectorial o abanico para poder barrer un área completa del material de

prueba, así como el paso de ángulos requerido. La apertura está en función

de las capacidades del equipo y el transductor, y se pueden obtener

aperturas de -88 a 88°.

Se establece un grupo de elementos activos para qua hagan la función de

múltiples transductores, considerando que mientras más pequeño sea el

grupo, mayor es la divergencia del haz.

Cada vez que se modifique un parámetro relevante se deberá hace un

cálculo de leyes focales. Una ley focal es el cálculo matemático que

determina los requerimientos de la configuración ultrasónica (retardo


187

pulsador/receptor) para el ángulo de un haz específico. La cantidad óptima

de leyes focales es el balance entre la velocidad de rastreo y la resolución

de la imagen.

Finalmente se configuran las lecturas que serán mostradas y se activa por lo

menos una compuerta. Para comenzar una calibración en distancia, al igual

que en el modo convencional se necesitan dos ecos de referencia. Para el

siguiente ejemplo se toman las distancias de un bloque DSC, que son 1in y

5 in respectivamente. Si se gira el transductor las distancias ahora serán 3

in y 7 in. El procedimiento sigue siendo igual, para el ajuste de la distancia

de la primera señal se hará con ayuda del Retardo del Palpador, y para la

segunda señal se hará con la Velocidad.

Fig. 2.10.69 Calibración en distancia con haz angular en arreglo de

fases con bloque DSC.



Detección de discontinuidades En este caso, como se ha venido aclarando,

la interpretación de una imagen definida del interior de la pieza, hace más

fácil la detección y medición de posibles discontinuidades, sin embargo

para poder evaluarlas aún es necesario recurrir al barrido “A”, que se

muestra del lado izquierdo de la pantalla, en una presentación vertical. La

siguiente imagen ilustra la detección de 3 barrenos a diferentes

profundidades, en un bloque de resolución.


188

Fig. 2.10.70 Detección de discontinuidades con arreglo de fases



2.10.15 MÉTODOS DE EVALUACIÓN POR ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Las pruebas no destructivas pueden ser diseñadas y especificadas para validar

aplicaciones individuales, esto significa que pueden ser específicas para

resolver un problema. Para ello, cada prueba no destructiva debe basarse en el

total entendimiento de la naturaleza y función de la pieza que está siendo

inspeccionada y las condiciones de su servicio. Estos fundamentos son

trasladados a la experiencia básica y los conocimientos que un técnico debería

poseer. El técnico calificado como Nivel II o III en cualquier método de

Pruebas no Destructivas debe estar familiarizado con el manejo e

interpretación de documentos aplicables al método en el que está calificado y

a los productos que debe inspeccionar. La inspección de un componente que

esté regulado o que sea crítico dentro de la industria puede estar cubierta por

múltiples documentos como códigos, normas, especificaciones y

procedimientos. Existe un gran número de organizaciones responsables de la

edición y revisión de estos documentos, por mencionar algunos: ASME

(Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos), AWS (Sociedad Americana

de Soldadura), API (Instituto Americano del Petróleo), etc. Cada inspección


189

puede estar gobernada por uno o más procedimientos que han sido elaborados

y estructurados para cumplir con reglas o criterios de esos documentos

aplicables. Para cumplir con los objetivos y requisitos de estos documentos, el

personal debe ser capaz de entender el punto de vista que dirige lo establecido

en ellos; además, debe ser capaz de elaborar procedimientos escritos e

interpretar los resultados de la inspección basándose en los requisitos tomados

de los documentos aplicables al producto o material inspeccionado, y por

último, debe asegurar que quien realiza actividades de inspección

documentada en procedimientos, cumple con la variedad de requisitos y

documentos aplicables.

2.10.15.1 CÓDIGOS, NORMAS Y ESPECIFICACIONES

La forma en la cual se encuentran establecidos los requisitos varía de

documento a documento. A continuación se describe en forma breve estos

documentos, de acuerdo a un texto de Juran, Gryna y Bingham (1993).

Código

Es una colección de estándares y especificaciones relacionadas entre ellas,

documentos que define los requisitos técnicos de prueba, materiales,

procesos de fabricación, inspección y servicio con los que debe cumplir una

línea en particular de partes, componentes o equipo.

Ejemplos de estos documentos:

Código ANSI / ASME, Boiler and Pressure Vessel Code (Código para

Recipientes a Presión y Calderas, de la Sociedad Americana de Ingenieros

Mecánicos);

Código ANSI / AWS D 1.1, Structural Welding Code – Steel (Código para

Estructuras Soldadas de Acero, de la Sociedad Americana de Soldadura);

Código ANSI / API 570, Piping Inspection Code (Código para Inspección de

Tubería, del Instituto Americano del Petróleo);


190

Código ANSI / ASME B31. Code for Pressure Piping (Código para Tubería

a Presión, de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos).

Los códigos se aplican o siguen de forma obligatoria, solo cuando se

establece en un contrato de compra-venta, o en la fabricación de una parte,

componente o equipo. Los códigos americanos que llevan las siglas ANSI

son documentos normativos nacionales en los Estados Unidos. Es importante

siempre recordar que los Códigos no se combinan o sustituyen entre sí.

Como ejemplo, a continuación se menciona la estructura general del Código

ASME para Recipientes a Presión y Calderas.

El documento está dividido en varias secciones, las cuales se puede

considerar forman dos grupos:

1. Para clases específicas de componentes (recipientes a presión, calderas,

etc.), y

2. Para la tecnología de soporte (soldadura, pruebas no destructivas y

materiales).

Ya que el Código contempla varios niveles de componentes críticos lo que

debe ser inspeccionado se reserva para algunas Secciones, las que están

determinadas por la referencia específica del producto, por ejemplo:

La Sección III (para construcciones nucleares nuevas),

La Sección VIII (para la construcción de recipientes a presión nuevos), y

La Sección XI (para inspección en servicio de instalaciones nucleares).

Además, esas secciones definen los criterios de aceptación y la certificación

del personal que deben ser aplicados al uso de pruebas no destructivas,

completamente por separado de la Sección V. Como parte del Código, se

establecen reglas y requisitos de pruebas no destructivas en la Sección V,

que tiene aplicación similar a documentos de ASTM, y que utiliza algunos

de ellos como base técnica para las actividades de inspección.


191

Normas o Estándares

Es una especificación publicada, método de prueba, clasificación o práctica

que ha sido preparada por un cuerpo editor. Con el fin de satisfacer las

necesidades de un contrato, un estándar o parte de uno, para que pueda

funcionar como una especificación. Son documentos que establecen:

Y definen reglas para adquirir, comprar, dimensionar o juzgar un servicio,

material, parte, componente o producto;

Definiciones, símbolos, clasificaciones.

Ejemplos de estos documentos:

Normas ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales),

Normas Internacionales ISO (Organización Internacional de Normalización),

Normas Oficiales Mexicanas (NOM),

Normas Alemanas DIN,

Normas Americanas ANSI (Instituto Americano de Estándares Nacionales),

Las normas ASTM relacionadas con las pruebas no destructivas hacen

énfasis de la forma en la cual deben realizarse las actividades de inspección,

pero dejan el criterio de aceptación para que sea decidido entre el comprador

y el vendedor del servicio de acuerdo con el producto.

Especificación

Es un documento que establece, con cierto detalle, el juego de requisitos

asociados con un método. La fuente de una especificación es normalmente el

comprador del producto o servicio.

Describen, definen y establecen:

De forma detallada un servicio, material o producto;


192

Propiedades físicas o químicas de un material;

La forma de realizar pruebas, inspecciones, etc., y tolerancias aplicables para

la aceptación o rechazo;

Como realizar la compra de un servicio o material.

En lugar de un documento técnico complejo, el comprador elige un

documento particular que cubre adecuadamente el método particular. Tienen

condiciones que deben ser establecidas por el comprador o que pueden ser

aplicadas por el vendedor a su consideración. Ejemplos de estos

documentos:

Especificaciones particulares de los clientes,

Especificaciones API,

Especificaciones ASTM.

Las normas y especificaciones solo son obligatorias por mutuo acuerdo entre

comprador y vendedor.

2.10.15.2 PROCEDIMIENTOS DE INSPECCIÓN

Un Procedimiento de Inspección es un documento escrito, en forma de una

secuencia ordenada de acciones que describen como debe ser aplicada una

técnica específica. Es un documento que define los parámetros técnicos,

requisitos de equipos y accesorios, así como los criterios de aceptación y

rechazo que son aplicables a materiales, partes, componentes o equipos, todo

de acuerdo con lo establecido en códigos, normas y /o especificaciones.

El alcance de un procedimiento es intentado para cubrir componentes

complejos o críticos o un grupo de artículos semejantes. Aún el técnico más

experimentado no podrá determinar el estado de un producto sin la

información aplicable al bien o servicio, de cómo se requiere que sea el


193

producto en función de su calidad y, por lo tanto, de cómo el producto va a

ser inspeccionado y evaluado.

A continuación se mencionan algunos beneficios que aporta el uso de los

procedimientos de inspección:

Apego a los documentos aplicables (Códigos, normas o especificaciones)

Se mantiene homogénea la técnica de inspección

El criterio de aceptación y rechazo es homogéneo

Se mantiene un nivel de calidad constante de los productos inspeccionados

Se obtienen resultados repetitivos

Evita discrepancias entre el fabricante y el comprador durante la inspección

de recepción de materiales, cuando el comprador está enterado y ha

autorizado la aplicación del procedimiento.

Con base en los documentos aplicables, los procedimientos de inspección

deben ser elaborados preferentemente por un técnico nivel II o III, calificado

y certificado en el método de inspección aplicable. Además, frecuentemente

se establece que deben ser revisados y aprobados por un técnico nivel III,

calificado y certificado en el método de inspección aplicable.

El procedimiento debería contener cada aspecto que el técnico necesita saber

para llevar a cabo la inspección, como sea requerido, por lo que antes de

elaborar un procedimiento de inspección deberían considerarse varios

aspectos preliminares importantes, como los siguientes:

Definir los documentos que sean aplicables, por acuerdo entre el prestador

del servicio y el cliente, tales como: especificaciones del cliente, códigos,

normas, dibujos, pedido, etc.

Definir el alcance y requisitos específicos


194

Verificar los requisitos específicos que sean aplicables contenidos en: notas

técnicas, planos, especificaciones, pedido, etc. Determinar los equipos y

accesorios necesarios

Definir los niveles de calidad requeridos.

Considerar los programas de fabricación o mantenimiento, para que puedan

determinarse los puntos críticos de la inspección como: las áreas de interés,

la etapa de la inspección, la preparación de las superficies, etc.

Seleccionar y preparar las muestras en caso que sea requerida la calificación

del procedimiento.

2.10.15.3 REPORTE DE RESULTADOS

Los procedimientos de inspección normalmente hacen referencia a un

formato de reporte de los resultados de la inspección. Cuando se reportan y

documentan los resultados de las inspecciones, se debe incluir la

información completa y exacta de la inspección realizada, con el objeto de

hacerla reproducible. Lo anterior se debe a que podrían existir revisiones por

parte del cliente o por alguna agencia (durante auditorias, monitoreos, etc.).

Esas revisiones pueden ocurrir mucho tiempo después de haber realizado la

inspección y la aceptación por el cliente.

Entonces, la falta de información y documentación puede resultar en retrasos

costosos, al tratar de resolver la aparente o sospechosa presencia de

discontinuidades. La información necesaria para minimizar confusiones

durante la revisión de un reporte de resultados debe incluir, pero no está

limitada, a los requisitos establecidos por el Código, norma o especificación

que sea aplicable.


195

2.10.15.4 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

Los criterios de aceptación y rechazo se encuentran incluidos en algunos

documentos, con el fin de proporcionar rangos, clases, grados y niveles de

calidad aceptables de los productos. Los documentos que contienen criterios

de aceptación y rechazo presentan un método para la calificación de ciertos

materiales o productos. Se consideran ciertas variables tales como la

aleación, el proceso de fabricación, el acabado, el recubrimiento, el esfuerzo,

la seguridad y la función, en el análisis de diseño antes de asignar una clase

o grado del producto.

El criterio de aceptación y rechazo establece el tamaño y tipo de una

discontinuidad aceptable en un área especificada. El producto podría llegar a

ser dividido por zonas, para permitir diferentes niveles de calificación en

diferentes posiciones sobre el producto, si se desea. Sin embargo, en muchos

casos, el criterio de aceptación solo tiene un tamaño de discontinuidad arriba

del cual el defecto debe ser removido, o debe ser removido y reparado, o la

pieza debe ser desechada.


196

CAPITULO III

PARTE EXPERIMENTAL

En el presente capítulo desarrollaremos los ensayos de Partículas Magnéticas

Fluorescentes y Ultrasonido Industrial, elaboraremos sus procedimientos específicos

para ser aplicados en este tipo de proceso de soldeo, controlaremos la aplicación en

campo de los mismos procedimientos y emitiremos reportes de resultados obtenidos de

las inspecciones realizadas a uniones de rieles de grúas tipo A 100, con ello podremos

observar la capacidad de detección que presentan las diferentes técnicas.

3.1. REVISIÓN DE LA DOCUMENTACIÓN DEL PROCESO DE SOLDEO

ALUMINOTÉRMICO EN CAMPO

Es necesario antes de empezar con la elaboración de los procedimientos de

inspección específicos tener bien definidas algunas características del

componente a ensayar, es decir conocer las características de las uniones de riel

de grúa tipo A100, como tipo de material, configuración de la junta, espesor a

ensayar, dimensiones, etc.

Para llevar a cabo un control de calidad exitoso tenemos la obligación como

inspectores de identificar bajo que código, norma o especificación se está

llevando a cabo la construcción de las estructuras metálicas a inspeccionar, para

poder tener el alcance de los requerimientos principales del código, norma o

especificación que gobiernan la fabricación de las estructuras, criterios de

aceptación, etc. En nuestro caso en específico el proceso de soldadura para rieles

esta normalizado por el Estándar AWS D 15.2 “Recommended Practices for the

Welding of Rails and Related Rail Components for Use by Rail Vehicles”, ver

Anexo A.

Así mismo será necesario hacer una revisión de la documentación que valida que

en realidad se están utilizando materiales de calidad (hoja de especificación del


197

fabricante del material base en nuestro caso de los rieles de grúa tipo A100) ver

Anexo B, corroborar que se está llevando a cabo un control adecuado de los

parámetros de soldeo(procedimiento de soldeo) ver Anexo C, documentos que

acrediten que el personal que va a llevar a cabo el soldeo cuenta con la habilidad

necesaria para la producción de uniones soldadas de calidad (registro de

calificación de operadores de soldadura) Anexo D, reportes de ensayos

destructivos realizados al material base para verificar sus propiedades mecánicas

(si es que son requeridos por el fabricante) ver Anexo E, reporte de ensayos para

la calificación del procedimiento, ver Anexo F.

Una vez revisados los documentos se puede empezar con la elaboración y

calificación de procedimientos de inspección, planes de escaneo en el caso de

Ultrasonido Industrial y la aplicación de los ensayos no destructivos en campo.

3.2. ELABORACIÓN Y CALIFICACIÓN PROCEDIMIENTOS DE

INSPECCIÓN

3.2.1. PROCEDIMIENTO DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

FLUORESCENTES.

Para la elaboración del procedimiento para ensayo por partículas magnéticas

fluorescentes se tendrá que tomar en cuenta la documentación

correspondiente, en este caso la norma de referencia es el estándar AWS

D15.2 “Recommended Practices for theWelding of Rails and Related Rail

Components for Use by Rail Vehicles “, la cual nos traslada al ASTM – 709,

“Standard Guide for Magnetic Particle Examination”, esta guía estándar

presenta los puntos mínimos que debe contener un procedimiento de

inspección.

La empresa NDT Welding Service S.A.C. fue la encargada de realizar el

servicio por ensayo de Partículas Magnéticas Fluorescentes, ya que es la

empresa especialista y cuenta con el equipamiento para realizar el ensayo de


198

manera eficiente, el ensayo se aplicó a los rieles de grúa tipo A100 para

evaluar la sanidad de la soldadura Aluminotermica que se le aplico así

asegurar con este la calidad de las uniones soldadas por dicho proceso y la

capacidad del personal técnico que las realiza.

Para la realización del procedimiento es necesario poder garantizar que

podemos hallar las discontinuidades comunes en este tipo de soldadura, es por

este motivo que se solicitó la adquisición de una probeta de la estructura a

ensayar en campo, es decir un tramo de riel de grupa tipo A100 a la que se le

aplico la soldadura siguiendo el procedimiento de soldadura correspondiente,

a este en laboratorio se le realizo la inspección la cual nos dio los datos

necesarios para la elaboración y calificación del procedimiento, pues es

necesario identificar la técnica y tipo de corriente a utilizar , tomando en

cuenta que estos deberán ser los que proporciones una mayor movilidad de las

partículas sobre la superficie del riel esta información será descrita en el

procedimiento para luego ser aplicado en campo para la evaluación de las

juntas programadas para inspección por Partículas Magnéticas Fluorescentes.

Teniendo en cuenta los requisitos mínimos dados por el ASTM E-709

tenemos:

Identificar el área a examinar, este se realizó en la totalidad de la junta

soldada en laboratorio, tanto a la cabeza, banda y base.

Identificar el tipo de partículas magnetizables (seco o húmedo, visible o

fluorescente), en nuestro caso la partículas utilizadas fueron de tipo Húmedo

Fluorescente de coloración verde/amarilla.

Equipo para ensayo por partículas magnéticas, para el ensayo se utilizó un

Yugo Yoke Y6 CONTOUR PRO DA200.


199

3.2.1 Yugo Electromagnético

Fuente: “REDISEÑO Y FABRICACIÓN DE YUGO

ELECTROMAGNÉTICO DE CORRIENTE ALTERNA PARA LA

TÉCNICA DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS.” – Universidad

Tecnológica de Querétaro, Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial.

Requerimientos para la preparación de la superficie a ensayar, la

superficie examinada y todas las zonas adyacentes en una 2 pulgada como

mínimo, deberá estar seca y limpia, libres de cuerpos extraños (polvo, grasas,

pelusas, salpicaduras, óxidos, laminillas, fundente de soldadura, etc.) que

interfieran con la inspección. Las superficies deberán ser igualadas hasta el

punto que no se encuentren en ellas ondulaciones abruptas.

Proceso de magnetización, en este caso utilizaremos un método continuo de

magnetización.

Corriente de magnetización, el tipo de corriente a emplearse será corriente

alterna.

Medio para establecer la magnetización en la pieza, se establecerá

mediante un yugo electromagnético.

Dirección del campo, se establecerá un campo longitudinal.

Intensidad de campo magnético, se tendrá que verificar antes de la

inspección si es necesario o el cliente lo solicite, esto se evaluara siguiendo las

recomendaciones del ASTM E-709, la primera evaluación será la prueba de

levantamiento de peso para verificar la potencia de magnetización esto está

estipulado según el tipo de corriente utilizada. (Tabla 3 del ASTM E-709)


200

Tabla 3.2.1 Tabla de Mínima Fuerza de Campo.

Fuente: “REDISEÑO Y FABRICACIÓN DE YUGO

ELECTROMAGNÉTICO DE CORRIENTE ALTERNA PARA LA

TÉCNICA DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS.” – Universidad

Tecnológica de Querétaro, Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial.

Dirección de campo, se usara un indicador de campo magnético tipo pastel

(Pie Gauge) describe unas ranuras entre los segmentos con forma de torta para

mostrar la presencia de una dirección aproximada del campo magnético.

Indica una intensidad de campo adecuada cuando una línea claramente

definida de partículas magnetizables se forma a través de la superficie de

cobre del indicador (las ranuras están contra la pieza) cuando las partículas

magnetizables se aplican simultáneamente con la fuerza magnetizante. La

falla para obtener una indicación puede ser el resultado de: (1) un campo

magnético insuficiente, o (2) las propiedades magnéticas del material que se

está examinando, o ambos.


201

Fig. 3.2.2 Indicador Tipo Pastel

Fuente: “PARTICULAS MAGNETIZABLEZ” - Universidad nacional de

Comahue, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de Ensayos No

Destructivos.

Aplicación del medio de examen, se aplicara las partículas magnéticas en

spray de manera uniforme y en cantidad suficiente sobre la superficie del riel.

Interpretación y evaluación de las discontinuidades:

Indicaciones validas: todas las indicaciones válidas formadas por el examen

de partículas magnéticas son el resultado de la fuga del campo magnético, las

indicaciones podrán ser relevantes, no relevantes o falsas.

- Indicaciones relevantes: Son producidos por las fugas de campo, que son el

resultado de las discontinuidades las indicaciones relevantes requieren una

evaluación con respecto la aceptación de las normas acordadas entere

fabricante/organismo de prueba y el comprador.

- Indicaciones no relevantes: pueden ocurrir por separado o en los patrones

como consecuencia de la fuga de campo creado por las condiciones que no

requieren de evaluación, tales como cambios en de sección (ranuras y orificios

perforados), propiedades de los materiales inherentes (como el borde de una

soldadura bimetálica) la escritura metálica, etc.

- Indicaciones falsas: no son el resultado de fuerzas magnéticas. Ejemplo de

ello son las partículas obtenidas mecánicamente o por la gravedad en

presiones poco profundas, partículas de óxido o de escala en la superficie.


202

La recomendación dada es que la cabeza y el colla de soldadura a cada lado de

la cabeza deberán cumplir con lo siguiente:

- No fisuras

- No defectos (poros, inclusiones de escoria de arena, gotas de metal)

- Técnica de des magnetización, solo cuando el magnetismo residual podría

interferir con el posterior procesamiento o sea requerido de acuerdo a las

especificaciones del contrato, los componentes o partes, deberán ser

desmagnetizados en cualquier momento después de culminada la inspección

por el método de Partículas Magnéticas. La cantidad máxima de magnetismo

residual permisible es de +/- 3 μ gauss.

- Limpieza post-examen, Cuando sea requerido y se defina en las

especificaciones del contrato se realizara la limpieza de las uniones

inspeccionadas con métodos que no afecten el material base.

- Para ver el procedimiento de inspección detallado, calificado y revisado ver

Anexo J).

3.2.2. PROCEDIMIENTO DE ULTRASONIDO INDUSTRIAL.

El ensayo de ultrasonido industrial se usaran ondas de corte con la técnica de

arreglo de fases, los ensayos fueron realizados en laboratorio y en campo por

personal de la empresa NDT WELDING SERVICE S.A.C., la cual cuenta con

equipos disponibles e implementos adecuados para realizar el ensayo.

Básicamente consiste en realizar seleccionar el equipamiento adecuado y

realizar la calibración del equipo para la inspección de las uniones soldadas

alumintérmicamente


203

La calibración del equipo de UT consiste en 3 etapas: calibración de la

velocidad, calibración del retardo de la zapata y calibración de la sensibilidad;

una vez calibrado el equipo se procede a ensayar una probeta llamada

“patrón” proporcionada por la empresa encargada de la aplicación del proceso

aluminotérmico, con las mismas variables de soldeo, y material a ser soldados.

Esta probeta es maquinada para la producción de indicadores ultrasónicos que

se asemejan a discontinuidades características en la soldadura, el diseño y

fabricación de esta probeta va a estar gobernado por el código ASME SEC. V

“Nondestructive Examination” y la especificación ASTM E164 “Standard

Practice for Ultrasonic Contact Examination of Weldments”; la probeta patrón

será utilizada para completar la calibración en campo del equipo de

ultrasonido, para calificar el procedimiento, y a su vez corroborar que el

personal técnico tiene la habilidad necesaria para poder producir uniones

soldadas de calidad. (Para ver el procedimiento de inspección detallado,

calificado y revisado ver Anexo I).

Análisis de las juntas a ensayar: Es importante conocer las características

del componente que se va a ensayar; algunas características básicas que el

inspector debe conocer son las siguientes: tipo de material, proceso de soldeo,

espesor a ensayar y diseño de junta. Estos datos serán de mucha ayuda al

momento de realizar un plan de escaneo (ver Anexo H) y una inspección.

Selección del equipamiento y accesorios necesarios: una vez conocidas las

características de las juntas a ensayar, se procede a la selección adecuada de

accesorios, que nos permitan desarrollar la inspección.

Realizar el plan de escaneo: (ver Anexo H) Luego de la selección adecuada

de accesorios gracias a la información obtenida previamente, nos disponemos

a realizar un plan de escaneo que nos permita poder inspeccionar la unión

soldada, a fin de poder detectar las discontinuidades presentes en las uniones


204

soldadas. Siguiendo este paso obtendremos la distancia de alejamiento que

debemos mantener y los ángulos de barrido para la inspección.

Calibración del equipo: Este paso es muy importante, ya que al realizar una

calibración adecuada podremos obtener con exactitud las dimensiones de las

discontinuidades y nos permitirá poder caracterizar y determinar de manera

correcta la posición de las discontinuidades encontradas.

Variables esenciales del procedimiento escrito de inspección: La

examinación ultrasónica debe ser realizada de acuerdo a un procedimiento

escrito, el cual debe como mínimo, contener los requerimientos listados en la

Tabla 3.2.1, el procedimiento escrito debe establecer un solo valor o un rango

de valores, para cada requerimiento.

Cuando la calificación del procedimiento es especificada por el código de

referencia un cambio en los requerimientos de la Tabla 3.2.1 en una variable

esencial debe requerir la recalificación del procedimiento escrito. Un cambio

en los requerimientos identificados como variables no esenciales, no requerirá

de una recalificación del procedimiento.

Todos los cambios en el procedimiento tanto en variables esenciales como en

variables no esenciales requieren de una revisión o adenda en el

procedimiento escrito.


205

Tabla 3.2.2 Variables esenciales y no esenciales para un procedimiento

de Ultrasonido.

Fuente: “ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE 2013 SEC.

V ART. 5 ULTRASONIC TESTING” – The American Society of

Mechanical Engineers.

Elaboración y redacción del procedimiento calificado de inspección por

Ultrasonido Industrial: (ver Anexo I) Se establecen los parámetros

principales del ensayo, calibración limpieza, equipamiento, alcance, criterio

de aceptación, etc. en el procedimiento de inspección todo en función al

código bajo el cual se aplica y se desarrolla el ensayo por Ultrasonido

Industrial.

Inspección de uniones soldadas en campo: Finalmente realizaremos la

inspección de las uniones soldadas, buscando poder determinar todas las

discontinuidades que en ellas se encuentran.


206

3.2.2.1. EQUIPAMIENTO A UTILIZAR PARA EL ENSAYO.

Equipo de Ultrsonido Phased Array.

Marca: Olympus

Modelo: Epoch 1000i

Fig. 3.2.3 Equipo Olympus Epoch 1000i.

Fuente: “SERIE EPOCH 1000 MANUAL DEL USUARIO” – Olympus.

Transductor Phased Array

2.25L8-A10P

Frecuencia: 2.25 MHz.

N° de elementos: 8


207

Fig. 3.2.4 Transductor Phased Array 2.25L8-A10P.


Zapata para ultrasonido Phased Array

SA10P-N55S

Angulo de la zapata: 55°

Fig. 3.2.5 Zapata para ultrasonido Phased Array.


Probeta de calibración

Modelo: IIW – Tipo 2


208

Fig. 3.2.6 Bloque de calibración IIW – Tipo 2.


Gel acoplante

Marca: Sonotech

Este seráutilizado para el adecuado acople entre la zapata y las uniones

soldadas.

Fig. 3.2.7 Gel acoplante a utilizar en el ensayo.


3.2.2.2. CALIBRACIÓN DEL EQUIPO

Una vez que se cuenta con todos los implementos, procedemos a realizar la

calibración de nuestro equipo de Phased Array. Realizamos las conexiones

correspondientes; es decir, conectamos el transductor Phased Array al

equipo, luego ensamblamos la zapata al mismo transductor, para ello


209

colocamos un poco de gel o grasa de tal forma que mejore el acoplamiento

entre zapata y transductor.

Una vez que el equipo y los instrumentos ya están listos se procede a realizar

la calibración del equipo. Existen cuatro parámetros básicos que uno debe

calibrar en un equipo de Phased Array y estos son:

- Calibración de la velocidad.

- Calibración del retardo de la zapata.

- Calibración de la sensibilidad.

- Criterio de Aceptación (Curva DAC, TVG, TGC, etc.)

Para poder realizar todas estas calibraciones utilizaremos un patrón de

calibración, el cual es el IIW.

3.2.2.3. CALIBRACIÓN DE LA VELOCIDAD.

Como sabemos cada material posee una velocidad inherente a él, existe gran

cantidad de tablas donde se muestra la velocidad del sonido para cada

material; sin embargo, siempre debemos calibrar la velocidad ya que como

sabemos existen gran variedad de aceros, es por ello que la velocidad en

cada uno puede ir variando. Actualmente los equipos avanzados poseen la

opción de auto calibración; es decir, esto consiste en que nosotros

ingresamos dos referencias (distancias conocidas) al equipo y luego con

ayuda del bloque de calibración y el transductor buscamos esas referencias;

con ello aseguramos que el equipo corrija la velocidad del material y mida

con mucha precisión las indicaciones que pueda haber.


210

Fig. 3.2.8 Calibración de la velocidad en Bloque IIW-V2 Congelado

de pantalla.

Fuente: Propia

Fig. 3.2.9 Calibración de la velocidad en Bloque IIW-V2.

Fuente: Propia


211

3.2.2.4. CALIBRACIÓN DEL RETARDO DE LA ZAPATA.

La calibración del retardo de la zapata tiene como objetivo poder compensar

las variaciones del recorrido del sonido en la zapata. Esta calibración asegura

que las indicaciones sean visualizadas a la profundidad correcta.

Fig. 3.2.10 Calibración del retardo de zapata en bloque IIW-V2.

Fuente: Propia

3.2.2.5. CALIBRACIÓN DE SENSIBILIDAD.

La calibración de sensibilidad tiene por objetivo compensar la atenuación del

sonido debido a la zapata y la variación del ángulo en el barrido sectorial. La

calibración asegura una amplitud de respuesta uniforme para cada ley focal

para un cierto reflector. También es conocida como AGC (Angular corrected

Gain o corrección de ganancia angular).


212

Fig. 3.2.11 Calibración de la sensibilidad dibujo de la curva DAC.

Fuente: Propia

Fig. 3.2.12 Calibración de la sensibilidad en probeta patrón.

Fuente: Propia


213

3.2.2.6. ENSAYO DE PROBETA “PATRON”

El procedimiento que se siguió para ensayar las probetas fue colocar un poco

de gel acoplante en la probeta patrón y luego comenzar con el escaneo del

cordón de soldadura. En un ensayo de arreglo de fases a diferencia de uno de

UT- convencional es que el rastreo es en línea recta, mientras que en el otro

caso debe trabajarse en zigzag.

Fig. 3.2.13 Probeta patrón.

Fuente: Propia

Fig. 3.2.14 Barrido para Ultrasonido Convencional.




214

Fig. 3.2.15 Barrido para Ultrasonido Phased Array.



3.3. PROCEDIMIENTO DE SOLDEO EN CAMPO.

El procedimiento de soldadura incluyendo técnicas de precalentamiento, el

método de ignición, velocidad de enfriamiento, y la eliminación de impurezas

puede variar un poco dependiendo de las instrucciones del fabricante del kit

alumitérmico específico que se emplea y el tipo, tamaño y composición química

del carril específico que se está soldando, así como las condiciones de servicio,

(ver Anexo C).

Así mismo este procedimiento tiene que ser calificado para poder según los

requerimientos del estándar AWS D 15.2 que es el documento que se utiliza para

determinar las condiciones y variables bajo las cuales se producen las uniones

soldadas.


215

3.3.1. PREPARACIÓN DE LA JUNTA

Asegurar las cabezas de los rieles a soldar y verificar que sus zonas

adyacentes estén libres de óxidos, pintura y polvo.

Posicionar los rieles usando gatas, cuñas de madera, y una regla metálica de 1

metro de longitud para verificar su alineación, de manera que el espacio entre

sus cabezas (GAP) en cuatro puntos deba tener una longitud de 22 a 25 mm.

y se encuentren lo más alineado.

Fig. 3.3.1 Preparación de la junta.

Fuente: Propia.

3.3.2. ALINEAMIENTO DE RIELES

Instalar el accesorio para alinear los rieles y proceder con este paso de tal

manera que el alineamiento se vaya corrigiendo con la regla hasta conseguir

que queden totalmente alineados en su:

a) Ala superior de un lado.

b) Ala inferior en el mismo lado.

c) Cabeza de riel.

d) Talón del perfil y base de riel.


216

Tolerancia en el alineamiento1: 1 mm. (1/16”).

Los rieles no son exactamente iguales, es por eso que se verifica que estén

alineados por un lado del perfil y el otro lado quede dentro de las tolerancias

establecidas.

Fig. 3.3.2 Alineamiento de rieles.

Fuente: Propia.

3.3.3. COLOCACIÓN DEL MOLDE

Instalar cada lado del molde: limado contra el perfil y los bordes de este,

asegurando que quede:

- Vertical.

- Perfectamente unido al riel sin vacíos entre el riel y el molde.

Colocar los dos moldes asegurando que el agujero que forman los moldes

quede perfectamente centrado:

- Respecto a la abertura de la junta.


217

- Respecto al alma del perfil.

Fig. 3.3.3 Instalar cada lado del molde.

Fuente: Propia.

Colocación de la plancha inferior:

- Para la parte inferior del riel, verificar que no queden bordes del molde

sobresaliendo.

- Limar la plancha inferior hasta escuchar el sonido del molde raspando el metal

del riel.

Colocar el sello de arcilla en el borde de la placa. La arcilla debe estar al ras

en el lado largo y ligeramente por debajo en los bordes anchos.


218

Fig. 3.3.4 Colocación de la plancha inferior.

Fuente: Propia.

Colocación del sello en las uniones del molde:

Paso 1:

Poner una capa en el interior de las ranuras. Asegurarse que la superficie este

lisa y que no ingrese ninguna partícula de arcilla ni otro elemento a la capsula

formada por los moldes. No olvidar de sellar la parte inferior.

Paso 2:

Poner una capa cubriendo la anterior. No poner demasiado porque podría caer

durante el precalentamiento o la fusión y generar un punto de fuga de la

soldadura.

Fig. 3.3.5 Colocación del sello en las uniones del molde.

Fuente: Propia.


219

Colocación de la bandeja para derrame lateral:

Poner una bandeja de metal con 1 a 1.5 cm. De arena al borde, donde está

previsto el derrame del material excedente. Procurar colocar arcilla en la

unión de la bandeja con el molde.

Fig. 3.3.6 Colocación de la bandeja para derrame lateral.

Fuente: Propia.

3.3.4. PRECALENTAMIENTO

Colocar el calentador en la abertura del molde:

Centrar en la abertura.

Verificar que este vertical.

Esto garantiza que se caliente simultáneamente y por igual ambos rieles.

Control de la flama:

Prestar atención al sonido, al inicio este es variable porque el riel esta frio

luego el sonido debe ser constante.


220

Fig. 3.3.7 Precalentamiento.

Fuente: Propia.

El tiempo de precalentamiento empieza después de que se ajusta la flama y

esté bien centrado el calentador. Un cronómetro es la manera que se

recomienda y es lo más preciso para realizar esta tarea.

Fig. 3.3.8 Centrado del molde.

Fuente: Propia.

Precalentar durante 21 minutos y hacer una inspección constante hasta

verificar el color de la cabeza de los rieles:


221

Deben estar rojo carmesí pasando a amarillo, sin manchas de color oscuro en

sus superficies 700°F (370°C). Esto indicará que la junta está lista para soldar.

Fig. 3.3.9 Verificación del color cuando se alcanza la temperatura

adecuada.

Fuente: Propia.

3.3.5. PREPARACIÓN DEL CRISOL

Verter el polvo de soldadura en el interior del crisol.

Preparar el ignitor.

Tapar.


222

Fig. 3.3.10 Polvo de soldadura en el interior del crisol.

Fuente: Propia.

Fig. 3.3.11 Crisol tapado.

Fuente: Propia.

3.3.6. SOLDADURA

Tan pronto es alcanzada la temperatura de precalentamiento, colocar el crisol

encima del molde e iniciar la soldadura con el encendido del ignitor

introduciéndolo en el crisol.


223

Fig. 3.3.12 Inicio de la soldadura.

Fuente: Propia.

La soldadura llenara la junta y el material excedente caerá en la bandeja

prevista para este fin. Luego dejar enfriar por 4 minutos aproximadamente

para retirar el crisol, la bandeja y los soportes de los molde.

Fig. 3.3.13 Llenado del molde.

Fuente: Propia.

Revisar el molde antes del retiro.


224

Retirar la parte superior del molde con mucho cuidado y dejar enfriar,

protegiendo de corrientes fuertes y enfriamientos bruscos, el tiempo de

enfriamiento lento es mínimo dos horas antes de esmerilar la junta para la

inspección por NDT.

Fig. 3.3.14 Retiro del molde.

Fuente: Propia.

3.3.7. ACABADO DE RIEL

Cortar y esmerilar la junta, asegurando que la superficie inferior, superior y

sus lados (cabeza del riel) y el pie en la zona de los clips tengan un acabado

uniforme verificando con una regla el acabado final.


225

Fig. 3.3.15 Acabado del riel.

Fuente: Propia.

3.3.8. ENSAYOS

Partículas Magnéticas y Ultrasonido Industrial (en sitio).

Fig. 3.3.16 Ensayos no destructivos.

Fuente: Propia.


226

3.4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

El criterio de aceptación especificado por Gantrex señala una dureza de 310 ± 20

HB en el material de aporte en la zona superior del riel estos valores lo podemos

observar en el Anexo F, dicho informe contiene valores de dureza para la sección

transversal pero sólo son de carácter informativo.

Los certificados de calidad del material base, así como la verificación de las

durezas para el acero de grado S700 el cual debe presentar valores mayores a 204

HB se detallan en el Anexo E.

3.5. CALIFICACIÓN DE LOS SOLDADORES SEGÚN PROCEDIMIENTO

CALIFICADO.

Tanto el capataz y los operarios realizaron la calificación del procedimiento de

soldadura del riel A100; se adjuntan los nombres completos y los respectivos

cargos del personal involucrado. (ver Anexo D.).

APELLIDOS Y NOMBRES CARGO

SANDOVAL GALLO HERLESS CAPATAZ

GARCIA SANDOVAL DARWIN OPERARIO MONTAJISTA

MORENO LOZANO IVAN OPERARIO MONTAJISTA

3.6. INSPECCIÓN POR PARTIÍCULAS MAGNÉTICAS FLUORESCENTES

EN CAMPO.

- Cuando se realiza el ensayo con partículas magnéticas fluorescentes debe

verificarse la temperatura de la superficie de la unión de soldadura

aluminotermica pues esta no debe superar los 60°C o lo que indique el fabricante,

debido a que el medio en el que se encuentran suspendidas las partículas tiene


227

cierto grado de volatilidad, o puede evaporase y no permitir la movilidad de las

partículas.

- La suspensión deberá mantenerse agitada durante la ejecución del ensayo, bien

sea a través de agitación manual o automática.

- La inspección deberá realizarse en un área oscura, esta se conseguirá utilizando

un biombo recubierto con manta negra de función móvil, se verificara que no

haya un ingreso excesivo de luz propia del ambiente.

- El examinador deberá permanecer en dicha área por lo menos 5 minutos antes de

empezar la examinación para permitir que sus ojos se adapten al ambiente

oscuro.

- Los lentes o lupas utilizadas por el examinador no deberán ser foto sensitivos.

- La luz negra debe tener un nivel de intensidad de por lo menos 1000µW/cm2, en

la superficie de la parte que este siendo examinada.

- La intensidad de luz visible en la zona oscura, no debe exceder de 2 focos (20

lux)

- La lámpara de luz negra debe calentarse por un mínimo de antes de su uso.

- Las condiciones de limpieza superficial deberán ser las siguientes:

La unión de soldadura no presentará discontinuidades abruptas.

Después del maquinado no deberán existir residuos de material sobrante en el

collar de soldadura y ningún tipo de contaminante que interfiera con la

inspección.

La limpieza podrá ser realizada con escobillas de mano, esmeriles, (siempre y

cuando no dañen la superficie del collar de soldadura).

- La aplicación de las partículas sobre la superficie de la junta deberá ser uniforme

y evitar aglomeraciones innecesarias.

- Se utilizaran más de dos posiciones del yugo para asegurar la detección de

imperfecciones, las cuales se evaluaran según el criterio de aceptación y rechazo

estipulados en el procedimiento.

- Se inspeccionara un total de 30 uniones de soldadura aluminotermica.

- La inspección la realizaran dos personas , el encargado del ensayo es decir el

inspector certificado con Nivel II ASNT-SNT- TC-1A-MT, que se encargar de la


228

evaluación de las indicaciones encontradas, y el asistente de nivel II el cual se le

está permitido la aplicación del ensayo mas no la calificación, también tendrá

como función principal la de recolectar los datos y resultados de la inspección,

- Esta se codificaran la uniones de la siguiente manera:

Se enumeraran las junta del 1 al 15, por cada lado (derecho o izquierdo) ejemplo:

J1, J2, J3,..J15.

En cada junta se identificarán claramente las diferentes zonas: cabeza, alma,

base.

Cada unión del riel se calificará individualmente.

- Los resultados de la inspección serán calificados como:

Aprobadas: serán las juntas que puedan contener falsas indicaciones,

indicaciones no relevantes o ninguna indicación.

Rechazadas: serán las que presenten indicaciones relevantes y necesiten una

reparación posterior a la inspección.

- Toda junta calificada como rechazada deberá ser reparada y re inspeccionada

para su re calificación y posible aprobación.

Fig. 3.6.1 Inspección por Partículas Magnéticas en campo.

Fuente: Propia.

3.7. INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO INDUSTRIAL EN CAMPO.

La metodología principal del desarrollo del ensayo por Ultrasonido Industrial en

campo es como se describe a continuación:


229

Una vez concluidos todos los preparativos para la realización del ensayo,

comenzaron las tareas de inspección para los dos ensayos en simultáneo, con un

total de 30 soldaduras a inspeccionar.

Dadas las condiciones ambientales favorables las juntas fueron inspeccionadas en

horario diurno.

El equipo de trabajo fue conformado por medio de dos personas:

- El operador encargado de la inspección que tiene que contar con certificación

como inspector nivel II en Ultrasonido Industrial.

- Un ayudante, el cual tenía como función esparcir el acoplante a ambos lados del

cordón soldado, a una distancia no mayor a los 100mm y tomar nota en las

planillas de registro, que luego formarían el protocolo del relevamiento en

campo.

La inspección se realizará inmediatamente después de aplicado el acoplante, y a

ambos lados de las caras de fusión.

Las zonas a ser inspeccionadas deberán estar libres de pintura, cascarillas de

óxido, e irregularidades que puedan interferir en la detección de

discontinuidades.

Dentro de la zona de inspección está comprendida la zona adyacente de la

soldadura (aprox. 1” a cada lado) y la soldadura propiamente dicha.

La limpieza se realizará por medio de escobillas metálicas o arenado.

Deberá existir una transición suave entre las superficies y el borde de la

soldadura.


230

Se eliminará el refuerzo de la soldadura en la zona de la cabeza (head) del riel

tanto en la parte superior como en los dos laterales y cuando sea necesario en el

caso de indicaciones dudosas, se eliminarán las rebabas del alma (web) o base

(parte inferior) del riel para caracterizar o dimensionar una discontinuidad.

La región de riel recorrida por las ondas transversales del transductor angular

deben ser previamente barridas con un transductor de haz normal, para

determinar la existencia de discontinuidades intrínsecas del material del riel que

pudieran interferir con la inspección de haz angular.

La zona de la cabeza de la unión (head), alma de la junta (web), base del riel

(parte inferior) serán inspeccionadas con un ángulo de 45°.

La superposición mínima del transductor será del 15% de su ancho y la velocidad

de barrido no debe ser mayor a 6 pulgadas/segundo.

Se marcarán las zonas de barrido en las piezas por medio de marcadores

metálicos.

El barrido será de manera transversal al eje de la soldadura con un movimiento

orbital del transductor de ±10°.

El área de barrido deberá ser suficiente para la inspección de toda la soldadura,

más 25 mm. de la zona afectada por el calor adyacente a la soldadura, dependerá

del espesor de la pieza (t).


231

El inspector nivel dos tiene la responsabilidad de evaluar las indicaciones

encontradas en las uniones soldadas siguiendo el procedimiento escrito de

inspección y aplicando el criterio de aceptación definido en él.

Una vez detectada la indicación, se registrará el número de soldadura y su riel en

la vía (derecho o izquierdo), su posición, su profundidad desde la superficie de

apoyo del palpador, su diferencia en decibeles con respecto a la ganancia de

calibración, y sus características geométricas, ya sean planares, o volumétricas.

Con estos datos, y aplicando los códigos referidos a soldaduras de estructuras

metálicas de rieles como el AWS D15.2, se evaluaron las soldaduras

inspeccionadas de la siguiente forma:

- APROBADAS: Como aquellas que no contienen indicaciones relevantes, o

aquellas que si contienen indicaciones relevantes, pero estas no cuentan con las

dimensiones suficientes para ser consideradas como defectos, según el criterio de

aceptación definido en el procedimiento escrito de inspección.

- RECHAZADAS: como aquellas que contienen indicaciones relevantes que

superan los límites de aceptación permitidos por los códigos, estándares, etc. de

fabricación de rieles.

Todas la evaluaciones de las uniones soldadas sean aceptadas o rechazadas serán

plasmadas e identificadas correctamente en el reporte de inspección que se

realizará al final del desarrollo del ensayo en campo.


232

Fig. 3.7.1 Unión soldada con gel acoplante aplicado.

Fuente: Propia.

Fig. 3.7.2 Inspección por ultrasonido en campo.

Fuente: Propia.

3.8. REPORTES DE INSPECCIÓN

El reporte de inspección identifica claramente la junta inspeccionada y la

condición de la misma, identificando los parámetros de inspección.


233

El reporte de inspección es realizado según el código ASME SEC V

“Nondesrtructive Examination” para cada uno de los ensayos según sus variables

esenciales, para revisar los reportes de inspección detallados ver Anexo K.

Indicaciones no rechazables: indicaciones no relevantes deben ser registradas y

especificadas según el código de referencia aplicable.

Indicaciones rechazables: indicaciones rechazables deben ser registradas. Como

mínimo, el tipo de indicación (fisura, falta de fusión, escoria, etc.), localización,

y longitud debe ser registrada.

Para cada examinación por Partículas Magnéticas Fluorescentes la siguiente

información debe ser registrada.

- Identificación de la técnica y el procedimiento.

- Identificación del personal que desarrolla el ensayo y su calificación.

- Descripción, dibujos o bocetos del espécimen calificado, incluyendo

espesor recubierto medido y dimensiones de los defectos.

- Equipo y materiales usados.

- Nivel de iluminación y poder de levantamiento del yugo.

- Resultados de calificación, incluyendo recubrimiento de máximo espesor

y defectos detectados.

Para cada examinación por ultrasonido la siguiente información debe ser

registrada:

- Identificación del procedimiento y revisión.

- Identificación del equipo de ultrasonido incluyendo fabricante y número

de serie.

- Identificación de transductor incluyendo fabricante, frecuencia y tamaño.

- Ángulos del haz utilizados.

- Acoplante utilizado, marca y tipo.


234

- Identificación del cable del transductor usado, tipo y longitud.

- Equipo especial cuando es usado (transductor, zapata, equipo de escaneo

automático, equipo de registro de datos, etc.).

- Identificación de programa computarizado y revisión cuando es usado.

- Identificación del bloque de calibración.

- Bloques de simulación y simulador electrónico cuando es usado.

- Nivel de referencia.

- Información de la calibración.

- Identificación y localización de la soldadura o volumen escaneado.

- Condición de la superficie escaneada.

- Áreas restringidas al acceso o soldaduras inaccesibles.

- Identificación del personal de examinación y cuando es requerido por el

código de referencia nivel de calificación.

- Fecha de la examinación.

3.9. REDACCIÓN DEL INFORME FINAL.

Al final de realizar todas las inspecciones en el proyecto de las uniones soldadas

por soldadura aluminotermica, y adicionalmente a los reportes de inspección que

nos brindan los resultados, si es deseo del cliente se elabora un informe final,

brindándole a parte de los datos propios de inspección que son de manejo más

técnico un informe donde inspector o inspectores basándose en los resultados

obtenidos en el proceso de control de calidad por ensayos no destructivos,

definen lineamientos claros que tiene que seguir el cliente para poder en este caso

reparar algunas de las soldaduras e el caso que estas lo necesiten, da

recomendaciones para la aplicación del tipo de soldadura estudiada, y concluye

su trabajo liberando las estructuras metálicas, que pasaron por el riguroso control

de calidad.

Este informe se diferencia claramente del reporte de inspección porque este no se

basa en las variables esenciales del código es un resumen menos técnico para un


235

fácil entender, es decir que no se tiene que ser un inspector en ensayos no

destructivos para interpretar este documento y te brinda un alcance global,

rápido, entendible del proyecto en general.

Para ver el informe final de inspección más detallado observar Anexo L.


236

CAPITULO IV

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En el presente capítulo revisaremos los resultados obtenidos mediante los ensayos de

Partículas Magnéticas Fluorescente y Ultrasonido Industrial a las uniones de rieles de

grúa tipo A 100 por proceso de soldeo aluminotérmico, tanto para el caso del

Ultrasonido como para el de Partículas Magnéticas Fluorescentes se presentaron los

reportes de inspección (ver Anexo K); estos datos serán evaluados por el inspector o

inspectores en campo.

El estudio del control de calidad de uniones soldadas por medio de Ensayos no

Destructivos es uno de los que más se viene impulsando en la industria. Y se sabe que

las empresas vienen invirtiendo gran cantidad de dinero en estos estudios debido a que

están fuertemente relacionados con la valoración de riesgos y análisis probabilísticos de

la integridad de componentes soldados.

Los resultados que verá a continuación muestran la probabilidad de detección que nos

brindan los ensayos no destructivos en nuestro caso el Ultrasonido Industrial y

Partículas Magnéticas Fluorescentes, se relacionara la naturaleza de las

discontinuidades presentes con las posible causas o partes del proceso de soldeo que

son capaces de producir estas discontinuidades, se tomarán las medidas necesarias para

evitar la producción de estas discontinuidades controlando minuciosamente las

variables evaluadas del proceso de soldadura además se brindará una guía práctica para

el control de calidad de las uniones soldadas aluminotérmicamente que garantice y

asegure la sanidad de las mismas uniones.

4.1. RESULTADOS OBTENDOS DE LA INSPECCIÓN DE LA PROBETA

PATRÓN.

La probeta patrón soldada con el mismo proceso de soldeo, con la misma

especificación de materiales y variables de proceso es brindada por el cliente con

la finalidad de poder comprobar el procedimiento de soldeo y su efectividad al


237

ser aplicado en campo y al mismo tiempo esta probeta será maquinada después

de su inspección para generar discontinuidades patrón que nos servirán para

calibrar en campo nuestro equipo de ultrasonido.

Se le hace la inspección por Partículas Magnéticas Fluorescentes primero, para

observar si presenta discontinuidades o fisuras abiertas a la superficie y luego se

complementa el control de calidad aplicando el ensayo de Ultrasonido Industrial

evaluando la solidez de la junta.

Es determinado por las recomendaciones del fabricante, del cliente y según

especificaciones contractuales que el ensayo por Partículas Magnéticas

Fluorescentes sea aplicado a la zona denominada “collar de soldadura” o zona de

fusión a todo alrededor de la unión soldada.

Fig. 4.1.1 Zona denominada Collar de soldadura.

Fuente: “INSPECTING WELDS IN RAIL” – Bertil Eklund y Bob Crocker.

También se determina que el Ensayo por Ultrasonido Industrial sea aplicado en

la zona denominada como “head” del riel de soldadura, que es la parte más

crítica de la unión soldada por poseer mayor cantidad de material que al ser

calentado este espesor presenta una mayor velocidad de enfriamiento en relación

con las otras partes del riel que poseen menos material lo que conllevaría a la

posible presencia de fisuras, aun así se recomienda al cliente hacer una


238

inspección por ultrasonido a todo el volumen de la soldadura, para descartar la

presencia de diferentes discontinuidades en las otras zonas del riel a

inspeccionar.

Fig. 4.1.2 Zonas del riel de grúa tipo A100


Fig. 4.1.3 Ensayo de Ultrasonido a “HEAD” de riel de grúa Tipo A 100.


Los resultados obtenidos en la inspección de la probeta patrón fueron (ver Anexo

G).


239

COMPONENTE MÉTODO DE

INSPECCIÓN

RESULTADO

PROBETA PATRÓN DE

RIEL DE GRÚA TIPO A

100

MT-UT No se detectaron

indicaciones relevantes que

reportar.

Al terminar la evaluación por ensayos no destructivos de la probeta patrón

podemos darnos cuenta claramente que esta probeta es la adecuada para poder

elaborar en base a ella la probeta de calibración para el Ultrasonido Industrial, así

mismo demostramos que los operadores de soldadura cuentan con la habilidad

necesaria para producir juntas de calidad ya que la probeta patrón no presenta

indicaciones relevantes en ninguna de las dos evaluaciones no destructivas.

La evaluación de la probeta patrón nos da la certeza que la primera parte de

nuestro control de calidad está completo, ya que la producción de uniones de

rieles por proceso aluminotérmico se está desarrollando en óptimas condiciones y

nos da los resultados esperados.

4.2. RESULTADOS OBTENIDOS DE LA INSPECCIÓN EN CAMPO DE LAS

UNIONES SOLDADAS.

Se evalúan las soldaduras aluminotérmicas en campo con las condiciones

ambientales estables y siguiendo todos los pasos de los procedimientos

elaborados y revisados previamente al inicio de las actividades de soldeo, en total

se evaluaron un total de treinta juntas, quince juntas por lado de riel (derecho e

izquierdo) se dividió la actividad de soldeo e inspección de cinco juntas por día

de trabajo los resultados obtenidos de las evaluaciones son los siguientes:


240

Resultados del Ensayo de Partículas Magnéticas Fluorescentes.


INSPECCIÓN FECHA RESULTADO

RIEL DE GRÚA

J1 IZQUIERDA MT 03-08-15

No se detectaron indicaciones

relevantes que reportar

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA


Defecto por maquinado; longitud:

10.0 mm. en la zona “web”

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA

J11 IZQUIERDA MT 05-08-15 No se detectaron indicaciones


241


RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA


Porosidad agrupada; longitud: 8.0

mm. en la zona “head”

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA

J1 DERECHA MT 06-08-15



RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA


Fisura superficial; longitud:

3.0 mm en la línea de fusión zona

“head”


242

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




Como se puede observar en los resultados obtenidos en la inspección se

encuentraron discontinuidades tales como porosidad agrupada que puede ser

ocasionada por el uso de arena, arcilla refractaria o el mismo molde en un estado

húmedo como principal causa de este tipo de defectos, la fisura en la línea de

fusión está determinada por una rápida velocidad de enfriamiento de la unión

soldada, en este punto es importante garantizar que la junta no sufre un

endurecimiento del material por este tipo de enfriamiento acelerado, es necesario

garantizar que se cumplen con los requerimientos para asegurar controlar las

variables del proceso de soldeo, y por último la discontinuidad identificada como

marca de maquinado es responsabilidad total del operario u operarios que


243

realizaron el proceso de maquinado en la zona “head” de la junta, si no se tiene el

cuidado suficiente se genera este tipo de discontinuidades superficiales que en

servicio pueden convertirse en un defecto catastrófico.

Resultados del Ensayo de Ultrasonido Industrial


INSPECCIÓN FECHA RESULTADO

RIEL DE GRÚA

J1 IZQUIERDA UT 03-08-15



RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA UT 04-08-15 No se detectaron indicaciones


244

J10 IZQUIERDA relevantes que reportar

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA


Porosidad agrupada; longitud: 12.0

mm. en la zona “head”;

profundidad: 20.0 mm.

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA

J1 DERECHA UT 06-08-15



RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA





245

RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA




RIEL DE GRÚA


Falta de fusión; longitud:

18.0 mm. en la zona “base”,

profundidad: 93.0 mm.

Con la revisión de los resultados en la inspección por Ultrasonido Industrial nos

podemos dar cuenta que la misma junta que presentaba porosidades en la

superficie también presenta las mismas en el interior de la junta comprometiendo

la solidez de la unión soldada, esta discontinuidad como se aclaró en la parte

superior se debe al uso de molde, arena, o arcilla en estado húmedo lo que atrapa

gases en el interior del material de aporte y al solidificar genera el desarrollo de

porosidades; y por último en la junta final se detectó una falta de fusión en la


246

base del riel lo que nos da una idea de que en esta unión soldada el o los

operarios no siguieron bien los procedimientos de alineación definidos como

parte primordial del procedimiento de soldadura ocasionando de esta manera que

se produjera un defecto caracterizado como una falta de fusión que según

nuestros procedimientos de inspección es totalmente inaceptable en la soldadura

aluminotérmica.


247

CONCLUSIONES

Con el presente estudio se comprueba la certeza de la aplicación en campo de los

métodos de ensayos no destructivos de Partículas Magnéticas Fluorescentes y

Ultrasonido Industrial y su capacidad de detección de discontinuidades en este tipo de

proceso de soldadura.

Se elaboraron procedimientos específicos para la inspección de la soldadura

aluminotérmica en rieles de grúa tipo A100, pudiéndose realizar nuevamente los

ensayos basándonos en los procedimientos ya definidos.

Cada discontinuidad identificada fue evaluada en base a los criterios de aceptación

definidos por los procedimientos de inspección calificados en este trabajo y con

ayuda del presente estudio se definieron los parámetros a controlar para evitar estas

discontinuidades, en la mayoría de los casos se comprueba la importancia del estudio

de control de calidad de los materiales a utilizar en el proceso de soldeo y la

importancia comprobar la habilidad de los operadores de soldadura.

La utilización de códigos, estándares y/o normas según lo requerido son importantes

en la buena práctica de construcción de estructuras soldadas. Es importante

diferenciar y utilizar el código adecuado ya que los criterios de aceptación son

diferentes.


248

RECOMENDACIONES

La aplicación de un exitoso proceso de control de calidad permite que las

actividades de soldeo realizadas alcancen su máximo funcionamiento tanto

operativo como vida útil para la que fueron diseñadas las estructuras, siempre es

recomendado complementar los END superficiales (MT, PT) con volumétricos (UT,

RT).

Es recomendable que las uniones soldadas que presentan defectos sean reparadas y

vuelvan a pasar evaluación por END para terminar de liberar las estructuras.

Los ensayos no destructivos deben ser realizados por personal entrado y calificado,

ya que son ensayos que requieren de experiencia en la discriminación de

indicaciones falsas.

Antes de realizarse el ensayo debe asegurarse el buen estado de los instrumentos

tales como equipo, cables, transductores, zapatas, lámpara, yugo, etc. para así

asegurar una correcta calibración y examinación de las piezas a evaluar.

Antes de que se realice el ensayo de ultrasonido y partículas magnéticas, debe

limpiarse la superficie a fin de remover cualquier imperfección que impida un

adecuado barrido y examinación de la zona de ensayo.

El presente estudio debe ser utilizado como guía práctica para el control de calidad

de uniones de rieles de grúa tipo A 100 por proceso de soldeo aluminotérmico este

es un documento de consulta, pero no tiene ningún carácter mandatorio.


249

BIBLIOGRAFÍA

“MANUAL DEL SOLDADOR” 6TA EDICIÓN – Germán Herández Riesco.

“TECNOLOGÍA DE INSPECCIÓN DE SOLDADURA” – Pontificia Universidad

Católica del Perú.

“INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE LA SOLDADURA” – Carlos Fosca

Pastor.

“RECOMMENDED PRACTICES FOR THE WELDING OF RAILS AND

RELATED RAIL COMPONENTS FOR USE BY RAIL VEHICLES” – AWS D

15.2 : 2003.

“INSPECTING WELDS IN RAIL” – Bertil Eklund y Bob Crocker.

“CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS INDUCIDOS EN PATRONES DE

ACERO AISI 304 A TRAVÉS DE RADIOGRAFÍA, TOFD Y ULTRASONIDO” –

Lenin José Brito Hernández, Universidad Simón Bolívar.

“INSPECCIÓN DE LAS UNIONES SOLDADAS DE JUNTAS A TOPE DE

PENETRACIÓN COMPLETA CON DISEÑO DE JUNTA SIMPLE EN V PARA

UN RANGO DE ESPESORES DE 8 A 25 MM. MEDIANDTE EL MÉTODO DE

ENSAYO DE ULTRASONIDO Y LA TÉCNICA DE ARREGLO DE FASES” –

Daniel Ly Medina, Pontificia Universidad Católica del Perú.

“MANUAL DE SOLDADURA” – Soldexa.

“LA INSPECCIÓN Y EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA POR EL MÉTODO

DE ULTRASONIDO, EN MATERIALES Y COMPONENETES, PARA EL

MANTENIMIENTO, LA SEGURIDAD Y LA SUSTENTABILIDAD DE LA

INFRAESTRUCTURA INDUSTRIAL” – Gerardo Patricio López Lina, Instituto

Politécnico Nacional de Culhuacán.

“SERIE EPOCH 1000 MANUAL DEL USUARIO” – Olympus.

“INTRODUCTION TO PHASED ARRAY ULTRASONIC TECHNOLOGY

APLICATIONS” – Olympus.

“ADVANCES IN PHASED ARRAY ULTRASONIC TECHNOLOGY



250

“PHASED ARRAY TESTING BASIC THEORY FOR INDUSTRIAL


“PRACTICA RECOMENDADA ASNT-SNT-TC-1A - EDICIÓN 2011” –

American Society for Nondestructive Testing.

“STANDARD PRACTICE FOR ULTRASONIC CONTACT EXAMINATION OF

WELDMENTS” – ASTM E 164.

“ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE 2013 SEC. V ART. 5

ULTRASONIC TESTING” – The American Society of Mechanical Engineers.

“CURSO DE PARTICULAS MAGNETICAS NIVEL I/II “- Fredi Miño Salazar.

“CURSO DE PARTICULAS MAGNETICAS” - Llogsa

“PARTICULAS MAGNETIZABLEZ” - Universidad nacional de Comahue,

Facultad de Ingeniería, Laboratorio de Ensayos No Destructivos.

“NORMAS DE HIGIENE Y SEGURIDAD EN EL USO DE LÁMPARAS DE

RADIACIÓN ULTRAVIOLETA” - Programa Prevención de Riesgos

Ocupacionales.

“DETECCIÓN DE CARACTERES OBLITERADOS EN ACERO 1095,

MEDIANTE EL MÉTODO DE INSPECCIÓN CON PARTÍCULAS

MAGNÉTICAS” - Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Mecánica.

“ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS POR EL MÉTODO DE PARTÍCULAS

MAGNÉTICAS Y SU INCIDENCIA EN MATERIALES FERROMAGNÉTICOS”

- Universidad Técnica de Ambato Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica.

“REDISEÑO Y FABRICACIÓN DE YUGO ELECTROMAGNÉTICO DE

CORRIENTE ALTERNA PARA LA TÉCNICA DE PARTÍCULAS

MAGNÉTICAS.” – Universidad Tecnológica de Querétaro, Centro de Ingeniería y

Desarrollo Industrial.

“MAGNETIC PARTICLE EXAMINATION” - ASME Sección V, Articulo 7

“STANDARD GUIDE FOR MAGNETIC PARTICLE EXAMINATION” - ASTM

Specification E – 709.


251

ANEXOS

Documents

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL …