Diseño y Construcción de un Sistema de Ultrasonido para - Revista ...

Revista Colombiana de Física, vol. 41, No. 1, Enero 2009
Diseño y Construcción de un Sistema de Ultrasonido para la Detección
de Discontinuidades en Soldaduras
Jairo Alejandro Rodríguez 1 , Jaime Vitola 2 , Susana Sandoval 3
1 Universidad Santo Tomás, Facultad Ingeniería Electrónica, sede Bogotá
2 Universidad Santo Tomás, Facultad Ingeniería Electrónica, sede Bogotá
3 Universidad Santo Tomás, Facultad de Ingeniería Mecánica, sede Bogotá
Recibido 22 de Oct. 2007; Aceptado 15 de Oct. 2008; Publicado en línea 5 de Ene. 2009
Resumen
En el presente artículo se describirá el diseño y montaje de un sistema para ensayos no destructivos con ultrasonido ENDU.
También se ilustrará su utilización para la búsqueda de discontinuidades en uniones soldadas; y para finalizar, se propone
una estrategia con base a la transformada wavelet que haga factible la posibilidad de distinguir los defectos.
Palabras claves: imagen ultrasónica, pulso-eco, wavelet, inspección de soldadura, pulsador.
Abstract
This article describes the design and assembly of an ultrasonic system for ENDU. It will also illustrate the search for discontinuities
in welded unions; and finally, proposes a strategy based on the wavelet transform make feasible the possibility
of distinguishing defects.
Keywords: ultrasonic image, pulse-echo, weld inspection, pulser.
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1. Introducción
Los métodos ultrasónicos para realizar ensayos no destructivos
se han utilizado extensamente en la inspección de
soldadura; sin embargo, la variada defectología, su búsqueda
e interpretación, a menudo es altamente dependiente de
factores subjetivos tales como: la fatiga visual, el estado de
ánimo y cansancio físico del evaluador, lo que repercute en
la calidad de la inspección [1].
Incursionar en el campo de los ENDU implica tener acceso
a una instrumentación apropiada y a menudo costosa, de
modo que su desarrollo presenta retos interesantes conduncentes
a la realización de proyectos con la participación de
alumnos y profesores. En ese orden de ideas, se diseñó y
construyó un componente esencial en instrumentación ultrasónica;
esto es, el sistema de excitación o pulsador. El
propósito, implementar algoritmos que permitan la forma-
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ción de imágenes ultrasónicas, y el diagnóstico de fallas que
amenacen la integridad en componetes industriales, tales
como las uniones soldadas. El desarrollo de sistemas ultrasónicos
y de algoritmos para imagenología ultrasónica,
pueden convertirse en una fuente de investigación que estreche
los vínculos entre la industria y la universidad, a la
vez de que propicie más sencilléz y confiabilidad al trabajo
de los ispectores.
El esquema del presente artículo será el siguiente: en la
segunda parte se describirá lo conserniente a las clases de
defectos más frecuentes en soldadura. El diseño y montaje
del circuito pulsador es presentado en la tercera. La metodología
para la exploración, los resultados obtenidos y el análisis
de los mismos serán abordados en la cuarta, y en la
quinta las conclusiones.

2. Defectos en Soladura
J. A. Rodríguez et al.: Diseño y Construcción de un Sistema de Ultrasonido para la Detección de Discontinuidades en Soldaduras
El objetivo del proyecto consiste en la detección por medio
de ultrasonido de defectos en soldadura, para lo cual el
grupo ha diseñado documentos que orienten la construcción
de probetas soldadas para la validación del sistema. Estos
documentos se refieren como WPS, Welding Procedure
Specification que dan cuenta de las variables de diseño del
proceso de soldadura y PQR Procedure Quality Rreport en
donde se registran las variables reales de soldadura.
Uno de los defectos presentes en las probetas de trabajo es
la inspección de escoria, que se ocasiona por la presencia de
partículas de recubrimiento del electrodo en el charco metálico
entre el metal base y el de aporte; para formarlo se ha
limpiado inadecuadamente la escoria en una regíon del
cordón en su primer pase, mientras que los pases restantes
se limpiaron correctamente.
Otro tipo defecto presente en las probetas bajo estudio es la
falta de fusión, que se origina cuando el metal de aporte no
funde adecuadamente con el metal base; el procedimiento
de diseño que estableció el grupo, indicó baja velocidad de
avance y bajo amperaje nominal en las características eléctricas
del proceso para lograr inducir el defecto.
3. Diseño y construcción del sistema electrónico de UT
Un transductor ultrasónico (o palpador) es un dispositivo
capáz de transforma energía eléctrica en acústica y viceversa.
Constituye por tanto, una pieza central para la tranmisión
y recepción de la energía ultrasónica, además de funcionar
a modo de intermediario entre el material bajo inspección
y la electrónica involucrada.
Ahora bien; la forma y amplitud del impulso acústico
transmitido desde el transductor, dependen de los parámetros
responsables de la configuración del pulso de excitación;
así por ejemplo, el factor más determinante para lograr
alta precisión en la información obtenida es la resolución a
lo largo de la profundidade que se explora. Esa resolución
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puede optimizarse con un diseño definido de los sistemas
electrónicos que alimenten al transductor, lo que favorece
conseguir de éste, respuestas al impluso muy breves. En
otras palabras, se precisan impulsos eléctricos de alto voltaje
operando sobre el transductor durante tiempos del orden
de los nanosegundos [3]. En esencia, lo que se busca es
decargar rapidamente un alto voltaje almacenado en un
condensador a través del transductor, mediante un conmutador.
En el esquema del circuito de excitación (ver Fig.1.), se
pueden distinguir tres bloques fundamentales para lograrlo.
El primero (de izquierda a derecha), regula el ritmo al cual
se deben producir los pulsos, para lo cual se implementó un
microcontrolador manejado por un oscilador de 20 MHz, ya
que el pulso que se debe conformar para estimular al palpador
debe repetirse a razón de 500 Hz, (cadencia que está
limitada por la profundidad máxima de exploración) pero
con una componente frecuencial alta, del orden de los Mhz,
como consecuencia de la rápida descarga del condensador.
A continuación, la señal generada por el microcontrolador
se transfiere a un circuito controlador de disparo basado en
un MOSFET de alta frecuencia; este circuito cumple la
función de acondicionar la señal para el disparo de otro
MOSFET [4], esta vez de potencia, responsable de conmutar
al condensador, trasformando de esta manera la señal de
alta frecuencia y bajo voltaje, en una de alta frecuencia y
alto voltaje. Finalmente, un tercer circuito, esta vez acondicionador,
cumple con la función de acoplar la impedancia
de salida del circuito con la del transductor, y lograr entonces,
máxima transferencia de potencia.
Un circuito adicional no señalado en la grafica constituye la
fuente de alto voltaje, y es precisamente, la que entrega esta
característica al disparo final; la misma, fue desarrollada
como una fuente DC lineal convencional, para lo cual se
utilizo un transformador con salidas de 100, 200 y 300V,
conectados a un puente rectificador, filtrando la señal resultante
mediante condensadores de alto voltaje.
Fig.1 El corchete izquierdo delimita al circuito encargado de generar la frecuencia de repetición de los pulsos; el central, tanto el que
controla al mosfet como al que gobierna los disparos de alto voltaje, y el de la derecha, al que permite acondicionar los disparos.

ev. col. fís., vol. 41, No. 1, (2009)
4. Técnica de Exploración, Resultados y Análisis
El equipo instrumental utilizado constó de un osciloscopio
digital Tectronix dotado con módulo de adquisición, un
transductor angular de 70°, capáz de generar un haz formado
por ondas transversales de 5 Mhz, un computador portátil
equipado con los programas Matlab y waveStar (programa
interfase con el osciloscopio) , y el circuito de excitación
desarrollado por el grupo.
Con la técnica ilustrada en la Fig.2. , las señales una vez
obtenidas y posterirmente almacenadas, contienen dos tipos
de información: amplitud y tiempo, que constituyen la denominada
exploración tipo A (A-scan). En tiempo diferido,
a los citados barridos luego de ser filtrados se les aplica la
transformada contínua wavelet [5], para así evaluar la correlación
entre el eco ultrasónico procedente del espécimen
bajo análisis y una cierta wavelet prototipo, ,. (1).
C , ) s(
t)
( t)
dt
(1)
( ,
Se eligió la MORLET por su gran semejanza con las señales
producidas por el transductor utilizado en la técnica de
pulso-eco. Los valores de esa correlación se representan en
una imagen bidimensional, de tal manera que los tonos
rojizos, por ejemplo, representan un valores altos de correlación,
y viceversa los tonos azules; Fig.3.
5. Conclusiones, recomendaciones y trabajos futuros
El montaje del pulsador ultrasónico evidencia que es realizable
el diseño y montaje de sistemas ultrasónicos en el
ámbito nacional, además de servir de estímulo que facilite el
acercamiento entre la industria y la universidad.
Las propiedades de la transformada wavelet, funcionando
como una especie de microscopio matemático, se adaptan
apropiadamente para la búsqueda de los defectos en la soldadura,
consitituyendo por tanto una herramienta muy útil
en su inspección. En un futuro se incursionará en la implementación
de algoritmos conducentes a la clasificación
automática de los defectos en soldadura.
Fig.2 Inspección por medio de la técnica pulso-eco. El transductor
actúa como emisor y receptor, moviéndose hacia el cordón o
alejándose del mismo.
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Fig.3 Mapas de correlación entre los ecos y la wavelet prototipo,
en los que se muestra las diferencias para cada tipo de defecto.
Poro, la superior, escoria en la de la mitad y falta de fusión la
inferior.
Referencias
[1] R. Polikar, L. Upda, S. Upda, T. Taylos, IEEE Trans. Ultrason.,
Ferroelectric., Freq., Contr., vol. 45, 614-624, 1998.
[2] ASME, sección IX, artículo 4, 65, 2000.
[3] C. Emery, J. Swartz, H. Casey, S. Smith, IEEE. Trans. Ultrason.
, Ferroelectric., Freq., Contr., vol. 42, 188- 198, 1995.
[4] A. Ramos, P. Sanz, F. Montero, E. Riera, Mundo Electrónico,
177-124, 1986.
[5] P. Emilia, T. Maryline, L. Pascal, San Emeterio, TecniAcústica,
1-6, 2006.