El control por ultrasonidos con arreglo en fases (PAUT) es un método de ensayo no destructivo avanzado. Permite inspeccionar materiales para detectar defectos utilizando un conjunto de pequeñas sondas de ultrasonidos, sin dañar el componente. A diferencia de los ensayos convencionales con sonda única, no tiene que desplazar la sonda.
Permanece en su lugar mientras dirige el haz acústico de forma electrónica, lo que permite un enfoque preciso del haz.
Si alguna vez ha tenido que verificar geometrías complejas o grandes superficies con rapidez, el PAUT ofrece adquisiciones más rápidas y mucho más detalladas que los métodos tradicionales.
En este artículo le explicaré cómo funciona la inspección por ultrasonidos con control de fase multielemento.
Abordaremos los principios fundamentales, como los parámetros de desfase y las leyes de control que gobiernan el haz, así como técnicas como el barrido sectorial.
También conocerá los principales componentes de hardware y sus aplicaciones más comunes.
Si desea repasar primero lo básico, consulte nuestra guía sobre qué es el control por ultrasonidos y cómo funciona.
Es una buena base para comprender el control por ultrasonidos en general.
Tabla de contenidos
¿Qué es el control por ultrasonidos con arreglo en fases?
El control por ultrasonidos multielemento (PAUT) es un método de inspección que se basa en una sonda compuesta por muchos pequeños elementos ultrasónicos.
El acrónimo PAUT significa « Phased Array Ultrasonic Testing » en inglés.
Con las técnicas más antiguas, tenía que deslizar físicamente una sonda única sobre una superficie.
El PAUT funciona de manera diferente.
Le permite dirigir el haz ultrasónico electrónicamente, otorgándole un control preciso sin mover la sonda.
El nombre técnico revela su funcionamiento.
El « multielementos » se refiere al conjunto de elementos de la sonda.
Al ajustar la temporización, puede conformar y dirigir el haz exactamente donde lo necesite. Este proceso se basa en los principios fundamentales de la física de ondas, donde las perturbaciones acústicas interfieren para concentrar la energía.
Desarrollo histórico
Esta tecnología se desarrolló por primera vez en el ámbito médico a mediados del siglo XX, donde los médicos la utilizaban para la obtención de imágenes ecográficas.
Tardó en ser adoptada por el ensayo no destructivo industrial, porque los primeros sistemas eran demasiado complejos y costosos para la mayoría de los equipos.
Una vez que los ordenadores se hicieron más potentes y los costes de fabricación bajaron, el PAUT se impuso como una herramienta de alto rendimiento para las inspecciones.
Hoy en día se utiliza en muchos sectores exigentes como la construcción, los oleoductos y la generación de energía para verificar la calidad de los materiales.
Sin embargo, aún no está ampliamente adoptado, ya que es una herramienta de inspección muy costosa en comparación con las alternativas.
Componentes clave
En el corazón de todo sistema PAUT se encuentra la sonda.
Este componente contiene el conjunto de elementos de cristales piezoeléctricos que transforman las señales eléctricas en ondas ultrasónicas.
Los elementos se mantienen separados entre sí para evitar interferencias dentro de la sonda.
Las sondas están disponibles en varias configuraciones: arreglos lineales, matriciales o circulares.
Para la mayoría de las aplicaciones industriales, como la inspección de cordones de soldadura por ultrasonidos multielemento, probablemente utilice un arreglo lineal que contenga entre 16 y 32 elementos.
Esta sonda se conecta a la unidad principal mediante cables especializados, pero también hay opciones inalámbricas disponibles.
Cómo funciona la focalización electrónica del haz
Usted dirige y conforma el haz ultrasónico en la tecnología multielemento sin mover la sonda.
Esta es la gran diferencia del PAUT respecto a los métodos antiguos: le permite inspeccionar las piezas más rápidamente y con más detalle.
Sin embargo, necesita una temporización precisa y comprender los principios fundamentales de la física de ondas para dirigir las ondas sonoras exactamente donde desee.
Parámetros de desfase y mecanismos de retardo
Gestiona la focalización del haz utilizando los parámetros de desfase.
Son instrucciones de control que indican a cada elemento del arreglo en qué momento disparar su impulso.
El concepto es simple en apariencia, pero requiere gran precisión en la ejecución.
Introduciendo pequeños retardos temporales en los impulsos de cada elemento, las perturbaciones acústicas resultantes se combinan y crean un haz enfocado dirigido con precisión donde lo necesite.
Estos parámetros de desfase requieren una precisión extrema, ya que los circuitos de temporización funcionan a escala de nanosegundos.
Esta precisión le permite ajustar tanto el ángulo del haz como la profundidad de enfoque para que coincidan con la geometría de su pieza.
Con los retardos adecuados, puede adaptar la inspección a la forma específica de su componente para obtener mejores resultados.
Generación del frente de onda
Cuando cada elemento individual del arreglo se activa y transmite un impulso ultrasónico, genera una perturbación acústica que se propaga en expansión esférica en todas las direcciones desde la fuente puntual.
Aunque los impulsos individuales siguen siendo relativamente ineficaces cuando actúan solos, se vuelven considerablemente más potentes cuando se sincronizan con precisión mediante los parámetros de desfase.
Esto permite que las ondas converjan y se amplifiquen mutuamente para producir un solo haz concentrado que puede dirigirse con precisión a una ubicación objetivo específica.
El tamaño de su punto focal está determinado por el número de elementos activos.
Este parámetro representa el número de elementos que se activan simultáneamente. Dado que aumentar el número de elementos disparados produce un punto focal progresivamente más estrecho, usted tiene la capacidad de conformar dinámicamente el haz resultante para detectar y caracterizar una amplia variedad de defectos del material.
Sin embargo, es importante señalar que esta capacidad de focalización funciona de manera óptima únicamente en el campo cercano de la sonda. Más allá de esta zona, el haz diverge y las ventajas de la focalización disminuyen considerablemente.
Principios de funcionamiento y técnicas
La generación y recepción de ultrasonidos se gestiona de forma diferente con las herramientas multielemento que con las antiguas de elemento único.
Un sistema PAUT dispara grupos de elementos a la vez, generalmente excitando de 4 a 32 elementos en conjunto.
En una tarea común como la inspección de cordones de soldadura por ultrasonidos multielemento, por ejemplo, utilizará unos 16.
Debe cronometrar cuidadosamente el impulso de cada elemento para que las ondas sonoras se combinen en un solo haz enfocado.
Cuando esta energía impacta en su componente, la física toma el relevo, independientemente de cómo haya creado la onda.
A continuación se muestra una visión general de las técnicas disponibles.
Barrido sectorial y direccionamiento del haz
El barrido sectorial, o barrido sectorial, es una de las técnicas más utilizadas.
Barre el haz ultrasónico a través de distintos ángulos con un solo grupo de elementos, un poco como un foco.
Puede verificar un área de 40 a 70 grados sin mover la sonda. Es el direccionamiento del haz en acción.
Esto ayuda cuando las piezas tienen formas complejas o lugares de difícil acceso, permitiéndole elegir el ángulo que le da la mejor posibilidad de detectar los defectos.
Barrido electrónico
El barrido electrónico acelera considerablemente las operaciones.
Reproduce lo que hace cuando desplaza manualmente una sonda UT, pero aquí, no se mueve nada físicamente.
El instrumento activa grupos de elementos uno tras otro a lo largo de la sonda. Esto envía el haz a través de la zona que está inspeccionando.
Cubre grandes superficies rápidamente y puede acoplarlo con la focalización electrónica del haz para mantener una alta resolución.
Método de focalización total
¿Quiere imágenes más nítidas?
Utilice el método de focalización total (TFM).
No crea un solo haz. En su lugar, el TFM toma datos brutos de todos los pares emisor-receptor del arreglo.
Su sistema divide el área de inspección en una malla de diminutos píxeles y calcula los retardos temporales correctos para enfocar el sonido en cada uno de ellos.
Así es como obtiene una imagen detallada y precisa de la zona.
Adquisición y visualización de datos
Su sistema PAUT recopila información enviando haces ultrasónicos a intervalos de tiempo precisos. Captura cientos de señales a la vez, recolectando un gran volumen de datos brutos.
Si procesa correctamente estos datos para crear imágenes claras, le proporcionará una vista en tiempo real del interior del material, lo cual es una excelente forma de mejorar su evaluación de calidad.
Este proceso también crea un registro permanente y trazable de la inspección.
Para mayor precisión, puede acoplar un codificador a la sonda. Registra la posición física exacta de cada medición, vinculando los datos visuales a una ubicación específica en el componente.
Requisitos de software
El rendimiento del sistema se basa en su software; es lo que gestiona el trabajo complejo.
Calcula la temporización compleja, conocida como parámetros de desfase y leyes de control, para dirigir y enfocar el haz ultrasónico exactamente donde lo necesite. El software también gestiona la calibración de cada elemento de la sonda y organiza los datos para una presentación clara.
Aunque la primera configuración requiere una puesta a punto cuidadosa, puede guardar los parámetros en un archivo. Esta funcionalidad le permite recargar una configuración completa en segundos, lo que es una ventaja importante para las tareas rutinarias.
Tipos de barrido e imagen
El software convierte las señales recogidas en imágenes que muestran una sección transversal del objeto en tiempo real. Existen varios tipos de barridos:
- Los barridos lineales desplazan el haz electrónicamente a lo largo de la sonda.
- Los barridos sectoriales utilizan el direccionamiento del haz para barrer un rango de ángulos desde un solo punto.
Esta técnica, llamada barrido sectorial, produce una imagen en forma de abanico ideal para examinar cordones de soldadura y geometrías complejas.
Esta focalización electrónica del haz proporciona una representación clara en corte del componente, haciendo la interpretación mucho más fácil que con los métodos convencionales.
Para saber más sobre las normas de imagen, consulte los recursos de ensayos no destructivos de organizaciones como ASNT.
Aplicaciones industriales para la inspección multielemento
Puede confiar en el control por ultrasonidos multielemento para verificar los materiales sin tener que destruirlos.
Es flexible, por lo que funciona bien para muchas piezas en muchas industrias diferentes. Detectará defectos en sus cordones de soldadura, verificará la calidad de los remaches y encontrará problemas como grietas, vacíos o picaduras derivadas de la corrosión.
A continuación, un resumen rápido.
Examen de soldaduras
Para las inspecciones de cordones de soldadura, el PAUT es excelente para trabajos exigentes como recipientes a presión y oleoductos. Encuentra defectos comunes tales como falta de fusión, porosidad o inclusiones de escoria.
Puede ajustar el ángulo del haz para que coincida con la forma del cordón de soldadura, lo que hace que la detección sea más fiable. El proceso sigue normas como la ASTM E2700 para ensayos por contacto.
Medición de espesor y de corrosión
El PAUT también mide con precisión el espesor del material.
Esto le ayuda a seguir los daños causados por la corrosión o la erosión con el tiempo. Puede cartografiar la pérdida de material en grandes superficies para obtener una imagen completa.
Por ejemplo, se utiliza para verificar las tuberías bajo sus soportes, donde el óxido puede ocultarse fácilmente. Los datos que obtiene le ayudan a determinar si un componente sigue siendo seguro o requiere reparaciones.
Otras aplicaciones
Puede utilizar el PAUT para mucho más que cordones de soldadura y corrosión. Se utiliza para verificar ruedas y ejes de tren en la industria ferroviaria.
La tecnología también es útil para examinar materiales compuestos y cartografiar adhesivos en uniones pegadas. Ya sea en una obra de construcción o en una central eléctrica, proporciona buenos datos para los controles de calidad y la planificación de sus trabajos de mantenimiento.
Modos de implementación
Los sistemas multielemento le ofrecen flexibilidad en la forma de utilizarlos.
Su elección de método depende de las necesidades específicas de la inspección, equilibrando la velocidad, el acceso a los componentes, el presupuesto y la seguridad.
Tiene tres opciones principales: manual, semiautomatizada o totalmente automatizada.
Inspección manual
Para verificaciones rápidas o inspección de piezas con formas complejas, la inspección manual es una opción práctica.
En este modo libre, un técnico mueve la sonda sobre la superficie del componente a mano. La sonda puede usarse con un acoplante, fijada a una cuña rígida o alojada en una sonda con ruedas para un barrido más suave.
Este enfoque le brinda una excelente portabilidad y proporciona una retroalimentación inmediata en tiempo real.
Sistemas codificados y automatizados
Los sistemas semiautomatizados, también llamados sistemas codificados, aportan más precisión al barrido manual.
Un codificador acoplado a la sonda registra su posición exacta. Este proceso almacena y mapea todos los datos de inspección con precisión. Disponer de estos datos le ayuda a trazar los resultados y a repetir las inspecciones fácilmente.
Los sistemas totalmente automatizados utilizan escáneres motorizados para mejorar la productividad y la seguridad. Estos escáneres pueden usar ruedas magnéticas para desplazarse a lo largo de los oleoductos o emplear brazos multieje para piezas complejas, moviendo la sonda automáticamente.
Este método mantiene a los operadores fuera de entornos potencialmente peligrosos y proporciona resultados altamente reproducibles para inspecciones a gran escala.
Configuración y calibración
Cuando empiece con un sistema de control por ultrasonidos multielemento, querrá configurarlo correctamente, ya que ello conduce a mejores inspecciones.
El proceso es similar al control por ultrasonidos que quizá ya conozca. Pero el PAUT tiene varios elementos, por lo que requiere un poco más de atención en la configuración y la calibración.
Puede empezar por las bases a las que está acostumbrado y, después, ajustarlas a su tarea exacta.
Selección de parámetros
Si ya ha realizado control convencional, el inicio parece el mismo.
Elija su frecuencia de ensayo, el número de elementos activos, la distancia focal y el ángulo de incidencia, utilizando los valores de su trabajo con una sonda única.
Después, ajuste los parámetros de desfase, también llamados leyes de control, para gestionar la focalización electrónica del haz. Esto le ayuda a adaptar la inspección al material. Debe considerar su velocidad del sonido y cuánto se atenúa la señal.
Para cordones de soldadura gruesos en acero al carbono, usaría una frecuencia más baja y un número de elementos activos mayor que para piezas delgadas de acero inoxidable.
Normas y cualificación
Calibre correctamente y cumpla las normas del sector. Este enfoque le proporciona resultados en los que puede confiar (y su cliente/responsable de calidad lo exigirá de todos modos).
Existen numerosas normas internacionales que seguir, y sus ingenieros de métodos le proporcionarán las que los operadores deben cumplir. He aquí algunos ejemplos:
- ASTM International ofrece reglas sólidas, como la E2491, que ayudan a verificar las características de su sistema multielemento.
- Para tareas como el dimensionamiento de grietas en cordones de soldadura, consulte cualificaciones como el examen API QUSE-Phased Array.
Calibre siempre primero con un bloque de referencia antes de inspeccionar. Esto garantiza que cada elemento del arreglo funcione y que los retardos temporales estén correctamente alineados.
Conclusión
El control por ultrasonidos multielemento es una forma más inteligente de inspeccionar materiales.
Utiliza una sonda con muchos pequeños elementos, y un ordenador aplica los llamados parámetros de desfase o leyes de control para temporizar cada impulso a la perfección. Esto crea un haz que puede dirigir y enfocar mediante la focalización electrónica del haz, por lo que no tiene que barrer manualmente.
Este control electrónico le da ventajas reales en velocidad y precisión.
Con el barrido sectorial, puede dirigir el haz sobre grandes superficies o en piezas complejas muy rápidamente.
Obtiene datos más fiables y puede encontrar defectos ocultos con mayor confianza, todo ello sin los problemas de seguridad de la radiografía.
Pero no es adecuado para todos los trabajos.
El coste inicial es mayor que en el control convencional, y necesitará una formación especializada para obtener buenos resultados.
Funciona muy bien para la inspección de cordones de soldadura por ultrasonidos multielemento y la cartografía de corrosión. Para otras tareas, como encontrar grietas superficiales, podrían servirle mejor métodos diferentes.
Para sacar el máximo partido del PAUT, necesita un operador cualificado que seleccione los parámetros correctos y adapte la técnica al trabajo. A medida que el software mejora y métodos como el método de focalización total (TFM) se vuelven comunes, esta tecnología se hace aún más potente y más fácil de usar.
¿Utiliza el PAUT en su trabajo?
Preguntas frecuentes
¿Qué es el control por ultrasonidos multielemento (PAUT)?
El control por ultrasonidos con arreglo en fases multielemento (PAUT) es un método de ensayo no destructivo avanzado. Utiliza una sonda de múltiples elementos para generar, dirigir y enfocar los haces ultrasónicos electrónicamente, inspeccionando los materiales sin movimiento físico de la sonda. Esto difiere considerablemente del control por ultrasonidos convencional de elemento único, ofreciendo capacidades mejoradas.
¿Cómo crea y controla el PAUT los haces ultrasónicos?
El PAUT crea y controla los haces impulsando individualmente cada elemento de su sonda con retardos temporales calculados con precisión. Estos retardos manipulan las ondas sonoras, llevándolas a interferir de manera constructiva y a formar un haz enfocado que puede dirigirse a distintos ángulos y profundidades en el material inspeccionado.
¿Qué tipos de defectos puede detectar eficazmente el PAUT en los materiales?
El PAUT es muy eficaz para detectar diversos defectos en los materiales. Puede identificar grietas, vacíos, porosidad e inclusiones de escoria en cordones de soldadura. También sobresale en la cartografía de la corrosión y la medición de espesor, permitiendo la evaluación de la pérdida de material y los patrones de erosión en componentes como oleoductos y recipientes a presión.
¿Cómo mejora la focalización electrónica del haz las capacidades de inspección del PAUT?
La focalización electrónica del haz mejora las capacidades del PAUT al controlar con precisión dónde converge la energía ultrasónica en un material. Mediante la aplicación de retardos temporales específicos, el PAUT enfoca el haz a profundidades y ángulos elegidos, mejorando la relación señal/ruido. Esto permite una caracterización y dimensionamiento más precisos de los defectos en el área de inspección.
¿Cuáles son las consideraciones clave para el equipo y la formación en PAUT?
El equipo PAUT generalmente implica un coste inicial más alto que los sistemas de control convencionales. Además, su complejidad requiere que los operadores reciban formación especializada más allá de la certificación estándar en ultrasonidos. Aunque existe una curva de aprendizaje para la configuración y la interpretación, las ganancias de eficiencia pueden conducir a un coste total de propiedad inferior con el tiempo.
¿Cómo influyen los parámetros de desfase en el rendimiento de un sistema PAUT?
Los parámetros de desfase son conjuntos críticos de parámetros de software y hardware que controlan con precisión las características del haz PAUT. Dictan los retardos temporales aplicados a cada elemento, determinando dónde se enfocará el haz y con qué ángulo. Unos parámetros de desfase correctamente definidos son esenciales para optimizar la sensibilidad acústica y la eficacia de la inspección.
¿En qué sectores industriales se utiliza ampliamente el PAUT para el aseguramiento de la calidad?
El PAUT se utiliza ampliamente en diversos sectores industriales para el aseguramiento de la calidad. Se emplea extensamente en la construcción, el petróleo y gas (para oleoductos y recipientes a presión), la generación de energía y el transporte (para la inspección del material rodante). Sobresale en los exámenes de cordones de soldadura, la cartografía de la corrosión y la inspección de materiales compuestos.
