ES2760223B2 - Sistema de inspeccion por ultrasonidos - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE INSPECCIÓN POR ULTRASONIDOS
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a un sistema de inspección por ultrasonidos que está especialmente configurado para detectar discontinuidades en soldaduras a tope con una única pareja de sensores de ultrasonidos, si bien puede ser empleado para la detección de discontinuidades en otro tipo de soldaduras.
Estado de la técnica
Es conocido el uso de señales ultrasónicas en ensayos no destructivos (NTD). Una de sus principales aplicaciones es la detección de discontinuidades en soldaduras. Para dicha detección es conocido el empleo de técnicas de inspección como “TOFD” (Difracción del tiempo de vuelo; “Time-of-flight diffraction”), “Phased array”, AUT (“Automatic Ultrasound inspection”), o combinaciones de éstas.
La técnica TOFD se basa en la interacción de ondas ultrasónicas con discontinuidades, que provoca la emisión de ondas difractadas en los bordes, comportándose los extremos de las discontinuidades como fuentes sonoras. Lo más habitual es trabajar con dos sensores de ultrasonidos uno en emisión y el otro en recepción.
Así, se emplea una pareja de sensores de ultrasonidos, uno de ellos en configuración emisor y el otro en configuración receptor, los cuales se disponen en contacto sobre la superficie del medio a inspeccionar. El emisor envía un haz, o pulso, ultrasónico a través del medio, que es recibido por el receptor, de manera que en función del tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción del haz se puede establecer la existencia de una discontinuidad en el medio.
Los sensores de ultrasonidos están formados por un cristal piezoeléctrico y una suela, o zapata, para la disposición del cristal. El cristal piezoeléctrico tiene una forma plana y circular y la suela tiene un plano inclinado recto en donde está dispuesto apoyando el cristal, de manera que el sensor focaliza el haz ultrasónico en un ángulo concreto que es función del cristal y su disposición en la suela.
Para variar el ángulo con el que incide el haz ultrasónico y dirigirlo hacia la zona de la soldadura que se quiere inspeccionar, se debe modificar la inclinación del apoyo entre el cristal y la suela, y/o variar la distancia entre el emisor y el receptor.
De acuerdo con ello, cuando se requiere inspeccionar soldaduras de espesor grande, por ejemplo del orden de 100 mm, una sola pareja de sensores de ultrasonidos no es suficiente para cubrir todo el espesor de la soldadura. Por ello, es necesario emplear varios pares de sensores de ultrasonidos, por ejemplo, tres parejas de sensores, una pareja para inspeccionar la parte superior de la soldadura, otra pareja para inspeccionar la parte central y otra pareja más para inspeccionar la parte inferior. En consecuencia, para inspeccionar una soldadura de espesor grande, se requieren emplear varios sensores de ultrasonidos, lo cual encarece el coste del sistema de inspección. Del mismo modo, implica mayor complejidad mecánica y dificultad para asegurar la correcta adquisición de los resultados.
Se hace por tanto necesaria una solución alternativa que permita la detección de discontinuidades en soldaduras, y especialmente en soldaduras de espesor grande, sin la necesidad de tener que emplear varios sensores.
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto un sistema de inspección por ultrasonidos para la detección de discontinuidades en soldaduras, y especialmente para la detección de discontinuidades en soldaduras a tope.
El sistema de inspección por ultrasonidos comprende:
• un sensor de ultrasonidos emisor configurado para enviar un haz ultrasónico a través de un medio a inspeccionar, y
• un sensor de ultrasonidos receptor configurado para recibir el haz ultrasónico,
o comprendiendo cada sensor de ultrasonidos un cristal piezoeléctrico y una suela, siendo la suela disponible sobre la superficie del medio a inspeccionar y teniendo la suela un plano inclinado con respecto a la superficie del medio en donde apoya el cristal piezoeléctrico.
Según la invención, el plano inclinado de la suela en donde apoya el cristal piezoeléctrico tiene una forma cóncava para la desfocalización del haz ultrasónico, estando el cristal piezoeléctrico configurado para adaptarse a dicha forma cóncava de la suela.
De acuerdo con ello, con una única pareja de sensores de ultrasonidos se puede obtener un haz ultrasónico desfocalizado, con lo que se puede cubrir todo el espesor del medio a inspeccionar sin la necesidad de tener que emplear varias parejas de sensores.
Según un ejemplo de realización de la invención, la forma cóncava de la suela es cilíndrica. Preferentemente dicha forma tiene un radio de curvatura inferior a 100mm, de manera que se obtiene una desfocalización del haz ultrasónico que permite abarcar todo el espesor de la soldadura. Aún más preferentemente el radio de curvatura es de 20mm.
Según otro ejemplo de realización de la invención, la forma cóncava de la suela es esférica o esferoidal. Preferentemente dicha forma tiene un primer y segundo radios de curvatura, ambos inferiores a 100mm, de manera que se mejora la detección de discontinuidades en el medio.
Preferentemente el cristal piezoeléctrico tiene tres zonas para desfocalizar el haz ultrasónico según dos ángulos límite y un ángulo central; y poder así inspeccionar de una manera más eficiente la soldadura. Así, el cristal piezoeléctrico tiene una primera zona para dirigir el haz ultrasónico según un ángulo límite superior, una segunda zona para dirigir el haz ultrasónico según un ángulo central, y una tercera zona para dirigir el haz ultrasónico según un ángulo límite inferior, en donde la segunda zona está dispuesta entre la primera y la tercera zona, teniendo la segunda zona una anchura menor que la anchura de la primera y tercera zona.
Preferentemente el cristal piezoeléctrico tiene una anchura mayor que su profundidad, de manera que se mejora la detección de discontinuidades pequeñas en la soldadura.
Según una realización preferente la anchura de la segunda zona del cristal piezoeléctrico es 1/3 de la anchura de la primera o de la tercera zona.
Según dicha realización preferente la anchura del cristal piezoeléctrico es 1,7 mayor que la profundidad.
También es objeto de la invención el uso del sistema de inspección por ultrasonidos para la detección de discontinuidades en soldaduras a tope.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra un sistema de inspección por ultrasonidos según una realización del estado de la técnica con una única pareja de sensores de ultrasonidos.
La figura 2 muestra un sistema de inspección por ultrasonidos según otra realización del estado de la técnica con tres parejas de sensores de ultrasonidos para inspeccionar una soldadura de espesor grande.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva de un ejemplo de realización del sistema de inspección por ultrasonidos de la invención con una única pareja de sensores de ultrasonidos.
La figura 4 muestra una vista en perspectiva de uno de los sensores de ultrasonidos del sistema de inspección de la figura anterior.
La figura 5 muestra una vista en planta superior del cristal del sensor de ultrasonidos de la figura anterior.
La figura 6 muestra una vista esquemática de los dos ángulos límites y ángulo central de la de la desfocalización del haz ultrasónico.
La figura 7 muestra una vista esquemática del sistema de inspección por ultrasonidos de la invención en donde se muestra la desfocalización del haz ultrasónico.
La figura 8 muestra una vista en perspectiva de uno de los sensores de ultrasonidos del sistema de inspección según otro ejemplo de realización de la invención.
La figura 9 muestra una vista en perspectiva de la suela del sensor de ultrasonidos del ejemplo de realización de la figura 4.
La figura 10 muestra una vista en perspectiva de la suela del sensor de ultrasonidos del ejemplo de realización de la figura 8.
Descripción detallada de la invención
En la figura 1 se muestra un sistema de inspección por ultrasonidos según una configuración del estado de la técnica para llevar a cabo una inspección de acuerdo con la técnica “TOFD” (Difracción del tiempo de vuelo; “Time-of-flight diffraction’).
El sistema de inspección comprende una pareja de sensores de ultrasonidos (1,2) que son disponibles sobre un medio (3) a inspeccionar, tal como por ejemplo dos partes entre las que está definida una soldadura (4). Concretamente el sistema de inspección comprende un sensor de ultrasonidos emisor (1) que está configurado para enviar un haz ultrasónico (5) a través del medio (3) a inspeccionar y un sensor de ultrasonidos receptor (2) que está configurado para recibir el haz ultrasónico (5) después de que éste haya refractado en el medio (3).
Los sensores de ultrasonidos (1,2) del sistema de inspección mostrado en la figura 1 tienen un cristal piezoeléctrico (6) y una suela (7), o zapata, en donde está apoyado el cristal (6). El cristal (6) tiene una forma plana y circular y apoya en un plano inclinado recto de la suela (7), de manera que de acuerdo con dicha realización del cristal (6) y de la suela (7), el haz ultrasónico (5) es refractado según un ángulo especifico (O), y es por tanto dirigido hacia una zona concreta de la soldadura (4) del medio (3). De acuerdo con esta realización, para focalizar el haz ultrasónico (5) en ángulos diferentes, es necesario modificar la inclinación del plano de la suela (7) en el que está apoyado el cristal (6), y/o variar la distancia (PCS) entre la emisión y recepción del haz ultrasónico (5) cuando el haz (5) pasa de la suela (7) al medio (3) y viceversa.
En la figura 2 se muestra otro sistema de inspección por ultrasonidos según otra configuración del estado de la técnica para también aplicar una inspección de acuerdo con la técnica “TOFD” en una soldadura (4) de un espesor grande.
En este caso, para poder cubrir todo el espesor de la soldadura (4) es necesario emplear un sistema de inspección con tres parejas de sensores de ultrasonidos (1.1,1.2,1.3,2.1,2.2,2.3), los cuales tienen la misma configuración de cristal (6) y suela (7) que los sensores de ultrasonidos (1,2) del sistema de inspección mostrado en la figura 1.
La primera pareja de sensores (1.1,2.1) envía un primer haz ultrasónico (5.1), según un primer ángulo (P), para inspeccionar la parte superior de la soldadura (4), la segunda pareja de sensores (2.1,2.2) envía un segundo haz ultrasónico (5.2), según un segundo ángulo (a), para inspeccionar la parte central de la soldadura (4), y la tercera pareja de sensores (2.1.2.2) envía un tercer haz ultrasónico (5.3), según un tercer ángulo ( y ), para inspeccionar la parte inferior de la soldadura (4).
La invención propone emplear una única pareja de sensores de ultrasonidos (1,2) que emite un único haz ultrasónico (5) desfocalizado con el que se puede inspeccionar todo el espesor de la soldadura (4).
A continuación, se describe el sistema de inspección de ultrasonidos de la invención en donde se emplean las mismas referencias que las empleadas en las figuras 1 y 2 para referirse a elementos análogos.
El sistema de inspección comprende un sensor de ultrasonidos emisor (1) configurado para enviar un haz ultrasónico (5) a través del medio (3) a inspeccionar y un sensor de ultrasonidos receptor (2) configurado para recibir el haz ultrasónico (5). Los sensores de ultrasonidos (1,2) son disponibles sobre la superficie del medio (3) a inspeccionar según una posición enfrentada entre ellos, con un sensor dispuesto a cada lado de la soldadura (4), tal y como se muestra en la figura 3.
Como se muestra en el ejemplo de realización de la figura 4, cada sensor de ultrasonidos (1.2) tiene un cristal piezoeléctrico (6) y una suela (7). La suela (7) es disponible sobre la superficie del medio (3) a inspeccionar, y tiene un plano inclinado en su parte superior en donde apoya el cristal piezoeléctrico (6), de manera que dicho plano inclinado de la suela (7), y por tanto el cristal (6), quedan dispuestos según una posición inclinada con respecto a la superficie del medio (3).
El plano inclinado tiene una forma cóncava, y el cristal (6) tiene al menos una parte que se adapta a la forma cóncava, de manera que la disposición del cristal (6) en la suela (7) según dicha forma cóncava permite desfocalizar el haz ultrasónico (5). En la figura 4 se muestra que la parte inferior del cristal (6) tiene una forma reciproca al plano inclinado de la suela (7).
El cristal piezoeléctrico (6) tiene tres zonas (6.1,6.2, 6.3) para desfocalizar el haz ultrasónico (5) según dos ángulos límite superior e inferior y un ángulo central (P, a, y).
La primera zona (6.1) del cristal (6) dirige el haz ultrasónico (5), según un ángulo límite superior (P), hacia la parte superior de la soldadura (4), la segunda zona (6.2) dirige el haz ultrasónico (5), según un ángulo central (a), hacia la parte central de la soldadura (4), y la tercera zona dirige el haz ultrasónico, según un ángulo límite inferior (y), hacia la parte inferior de la soldadura (4). Así, como se muestra en la vista esquemática de la figura 7, el sistema de inspección por ultrasonidos permite desfocalizar el haz ultrasónico (5) para inspeccionar todo el espesor de la soldadura (4).
La segunda zona (6.2) del cristal piezoeléctrico (6) está dispuesta entre la primera (6.1) y la tercera zona (6.3), debiendo ser la anchura (W2) de la segunda zona (6.2) menor que la anchura (W1, W3) de la primera (6.1) y tercera zona (6.3) para poder desfocalizar el haz ultrasónico (5) según los ángulos (P, a, y).
Preferentemente, tal y como se observa en las figuras 4 y 5, el cristal piezoeléctrico (6) tiene una configuración rectangular en forma de “H” con dos lados mayores y dos lados menores, en donde la anchura (W) del cristal (6) va descendiendo progresivamente desde uno de sus lados mayores hasta el centro del cristal (6), y desde dicho centro la anchura (W) va aumentando progresivamente hasta alcanzar el otro lado mayor del cristal (6). Así, al menos en sus lados menores, el cristal (6) presenta una forma cóncava.
En la vista esquemática de la figura 6 se muestra un ejemplo de los ángulos (P, a, y) en los que se define la desfocalización del haz ultrasónico (5) para poder inspeccionar todo el espesor de la soldadura (4). Los ángulos están referenciados con respecto a la vertical, siendo la vertical paralela a la soldadura (4).
La primera zona (6.1) del cristal (6) permite dirigir el haz ultrasónico (5) hacia la parte superior de la soldadura (4). A causa de la desfocalización, el ángulo límite superior (P) del haz (5) en esa zona es alto, concretamente para una soldadura (4) de un espesor de 100 mm el ángulo (P) es de aproximadamente 70°. Aunque la distancia que debe recorrer el haz (5) para dirigirse hacia la parte superior de la soldadura (4) sea corta, puesto que cuanto mayor es el ángulo refractado mayor presión acústica se requiere, es necesario aumentar la anchura (W1) de la primera zona (6.1) para conseguir la energía necesaria para alcanzar la soldadura (4).
La tercera zona (6.3) permite dirigir el haz ultrasónico (5) hacia la parte inferior de la soldadura (4). El ángulo límite inferior ( y ) debido a la desfocalización en esta zona es bajo, concretamente para una soldadura (4) de un espesor de 100 mm el ángulo ( y ) es de aproximadamente 20°, sin embargo, puesto que la distancia que debe recorrer el haz (5) para dirigirse hacia la parte inferior de la soldadura (4) es elevada, también es necesario aumentar la anchura (W3) de la tercera zona (6.3) para conseguir la presión acústica necesaria.
La segunda zona (6.2) permite dirigir el haz ultrasónico (5) hacia la parte central de la soldadura (4). Para una soldadura (4) de un espesor de 100 mm el ángulo refractado (a) en esta zona es de aproximadamente 40°. Puesto que la segunda zona (6.2) obtiene presión acústica de la primera (6.1) y tercera zona (6.3), y para no focalizar excesivamente el haz (5) en la parte central de la soldadura (4), es necesario reducir la anchura (W2) del cristal en la segunda zona (6.2) con respecto a la anchura de las otras zonas (6.1,6.3)
Teniendo en cuenta que la soldadura a inspeccionar es de un espesor considerable (de hasta 100mm), como se observa en la figura 7, los sensores de ultrasonidos (1,2) están dispuestos enfrentados entre si con una distancia de separación (PCS) de aproximadamente 70mm entre la emisión y recepción del haz ultrasónico (5), si bien a distancias menores el sistema de inspección permite detectar correctamente discontinuidades en la soldadura (4).
Para poder detectar correctamente discontinuidades pequeñas del orden de 1,5-2mm es necesario que el cristal (6) tenga una anchura (W) mayor que su profundidad (D), ya que si se aumenta la profundidad (D) también se aumenta el ancho del haz ultrasónico (5), lo que dificultaría detectar discontinuidades pequeñas. Es decir, al aumentar la profundidad (D), las señales generadas por la difracción del haz en la parte superior e inferior de la discontinuidad se solaparían, imposibilitando discernir uno del otro cuando las señales son representadas en pantalla.
Según el ejemplo de realización mostrado en las figuras 4 y 5, preferentemente, la anchura (W2) de la segunda zona (6.2) del cristal (6) es aproximadamente 1/3 de la anchura (W1,W3) de la primera (6.1) o de la tercera zona (6.3), siendo la anchura de la primera y tercera zonas iguales.
También de acuerdo con dicho ejemplo de realización, la anchura (W) del cristal piezoeléctrico (6) es aproximadamente 1,7 mayor que la profundidad (D).
En las figuras 4 y 9 se muestra un ejemplo de realización de la suela (7) en donde el plano inclinado para apoyo del cristal piezoeléctrico (6) tiene una forma cóncava cilíndrica. Dicha forma tiene un radio de curvatura (R1) inferior a 100 mm y preferentemente de 20mm. El radio de curvatura (R1) queda dispuesto en paralelo a los lados menores del cristal piezoeléctrico (6).
En las figuras 8 y 10 se muestra otro ejemplo de realización de la suela (7) en donde el plano inclinado para apoyo del cristal piezoeléctrico (6) tiene una forma cóncava esférica o esferoidal. Dicha forma tiene un primer y un segundo radios de curvatura (R1, R2), siendo ambos radios inferiores a 100 mm.
El primer radio de curvatura (R1) queda dispuesto en paralelo a los lados menores del cristal piezoeléctrico (6) mientras que el segundo radio de curvatura (R1) queda dispuesto en paralelo a los lados mayores del cristal piezoeléctrico (6).
En ambos ejemplos de realización el cristal tiene una forma reciproca, al menos en su parte inferior, para adaptarse al plano inclinado de la suela (7).
1

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. - Sistema de inspección por ultrasonidos que comprende:
• un sensor de ultrasonidos emisor (1) configurado para enviar un haz ultrasónico (5) a través de un medio (3) a inspeccionar, y
• un sensor de ultrasonidos receptor (2) configurado para recibir el haz ultrasónico (5),
comprendiendo cada sensor de ultrasonidos (1,2) un cristal piezoeléctrico (6) y una suela (7), siendo la suela (7) disponible sobre la superficie del medio (3) a inspeccionar, y teniendo la suela (7) un plano inclinado con respecto a la superficie del medio (3) sobre el que se dispone el cristal piezoeléctrico (6), en donde la suela (7) está provista de una forma cóncava en donde apoya el cristal piezoeléctrico (6) que está dispuesta sobre el plano inclinado para la desfocalización del haz ultrasónico (5), estando el cristal piezoeléctrico (6) configurado para adaptarse a dicha forma cóncava de la suela (7),
caracterizado por que el cristal piezoeléctrico (6) tiene:
• una primera zona (6.1) configurada para dirigir el haz ultrasónico (5) según un ángulo límite superior (P),
• una segunda zona (6.2) configurada para dirigir el haz ultrasónico (5) según un ángulo central (a), y
• una tercera zona (6.3) configurada para dirigir el haz ultrasónico (5) según un ángulo límite inferior ( y ),
en donde la segunda zona (6.2) está dispuesta entre la primera (6.1) y la tercera zona (6.3), teniendo la segunda zona (6.2) una anchura (W2) menor que la anchura (W1, W3) de la primera (6.1) y tercera zonas (6.3).
2. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación anterior, caracterizado porque la forma cóncava de la suela (7) es cilíndrica.
3. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación anterior, caracterizado porque la forma cóncava cilíndrica tiene un radio de curvatura (R1) inferior a 100mm.
4. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación anterior, caracterizado por que el radio de curvatura (R1) es de 20mm.
5. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación 1, caracterizado porque la forma cóncava de la suela (7) es esférica o esferoidal.
6. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación anterior, caracterizado por que la forma cóncava esférica o esferoidal tiene un primer y segundo radios de curvatura (R1, R2), ambos inferiores a 100mm.
7. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación anterior, caracterizado por que la anchura (W2) de la segunda zona (6.2) es 1/3 de la anchura (W1,W3) de la primera (6.1) o tercera zona (6.3).
8. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado el cristal piezoeléctrico (6) tiene una configuración en forma de "H”.
9. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el cristal piezoeléctrico (6) tiene una anchura (W) mayor que su profundidad (D).
10. - Sistema de inspección por ultrasonidos, según la reivindicación anterior, caracterizado por que la anchura (W) del cristal piezoeléctrico (6) es 1,7 mayor que la profundidad (D).
11. - Uso del sistema de inspección por ultrasonidos de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
12. Uso del sistema de inspección por ultrasonidos según la reivindicación 11, caracterizado por que los sensores de ultrasonidos (1,2) se disponen sobre la superficie del medio (3) a inspeccionar con una separación de 70 mm entre la emisión y recepción del haz ultrasónico (5).
13. - Uso del sistema de inspección por ultrasonidos según una de las reivindicaciones 11 o 12 para la detección de discontinuidades en soldaduras a tope.
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