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Ensayos de soldaduras mediante rayos X. Máquinas de rayos X. Radioisótopos. Radiografía. Tubos de rayos X. Difracción de rayos X.


Rayos X

Son una forma de energía radiante derivada del bombardeo de un material por electrones en el vacío a elevado voltaje. La longitud de onda de estos rayos está entre 10-11 a 10-8 cm.

Examen radiográfico de un metal o una soldadura de metal

Es el uso de energía radiante en forma de rayos X, rayos gamma o neutrones de alta energía para el examen no destructivo de objetos visualmente opacos que dejan registro de su sanidad estructural sobre una película sensibilizada o pantalla.

La radiografía es un método de ensayo no destructivo basado en el principio de transmisión preferencial de la radiación, o absorción. Las áreas de espesor reducido o de menor densidad transmiten más, y por lo tanto absorben menos radiación. La radiación que pasa a través de un objeto de prueba formará una imagen contrastada sobre una película receptora de la radiación.

Las áreas de elevada transmisión de radiación, o baja absorción, aparecen como áreas oscuras sobre la película revelada. Las áreas de baja transmisión de radiación, o alta absorción, aparecen como áreas claras sobre la película revelada. La figura R-1 muestra los efectos del espesor sobre el área oscura de la película. El área más delgada del objeto de ensayo produce el área más oscura sobre la película debidos a que más radiación es transmitida hacia la película. El área más gruesa del objeto de ensayo produce el área mas clara sobre la película debido a que mas radiación es absorbida, y así, menos es transmitida. La figura R-2 muestra el efecto sobre de la densidad del material sobre la oscuridad de la película.

 

Figura R-1. Efecto del espesor de partes sobre la transmisión de radiación (absorción).

De los metales mostrados en la figura R-2, el plomo tiene la mayor densidad: 11,34 g/cm3 ((0.409 lb/pulgada3 ), seguido en orden por el cobre: 8.96 g/cm3 (0.323 lb/ pulgada3);  acero 7.87 g/cm3 (0.284 lb / pulgada3), y aluminio 2.70 g/cm3 (0.097 lb / pulgada3). Con la mayor densidad (peso por unidad de volumen), el plomo absorbe mas radiación, transmite la menor radiación, y por lo tanto produce la película mas clara.

La energía mas baja, la radiación no formada por partículas existe en la forma de radiación gamma o rayos X. Los rayos gamma son el resultado del decaimiento de materiales radiactivos; fuentes radiactivas comunes incluyen el Iridio 192, Cesio 137 y Cobalto 60. Estas fuentes están continuamente emitiendo radiación y deben ser mantenidas en un contenedor de almacenamiento blindado, conocido como “cámara gamma” cuando no está en uso. Estos contenedores están frecuentemente blindados con plomo o acero.

Figura R-2. Efecto de la densidad del material sobre la transmisión de radiación (absorción).

Los rayos X son hechos por el hombre, estos son producidos cuando los electrones, viajando a alta velocidad, colisionan con la materia. La conversión de energía eléctrica a radiación X es alcanzada en un tubo al vacío. Una baja corriente es pasada a través de un filamento incandescente para producir electrones. La aplicación de un elevado potencial (voltaje) entre el filamento y un objetivo de metal acelera los electrones a través de este voltaje diferencial. La acción de una corriente de electrones golpeando el objetivo produce los rayos X. La radiación es producida sólo cuando el voltaje es aplicado al tubo de rayos X. Sea usando fuentes de rayos gamma o rayos X, el objeto de ensayo no queda radiactivo al finalizar el ensayo.

Los siguientes son elementos esenciales para ensayos radiográficos:

  1. Una fuente de radiación penetrante, como por ejemplos una máquina de rayos X o isótopo radiactivo.
  2. El objeto a ser radiografiado, como por ejemplo una soldadura.
  3. Un dispositivo de registro o visualización, usualmente película fotográfica (rayos X) encerrada en un soporte prueba del paso de luz.
  4. Un radiógrafo calificado, entrenado para producir una exposición satisfactoria.
  5. Los medios para procesar película expuesta o para operar otro medio de registro.
  6. Una persona calificada en la interpretación de radiografías

Cuando un objeto de ensayo o junta soldada es expuesta a la radiación penetrante, algo de la radiación será absorbida, algo se dispersará y algo será transmitido a través del metal al medio de registro. Las variaciones en la cantidad de radiación transmitida a través de la soldadura dependen de lo siguiente:

  1. Las densidades relativas del metal y cualquier inclusiónes
  2. El espesor relativo de los materiales en el paso radiactivo
  3. El poder penetrante de la fuente radiactiva. Las inclusiones no metálicas, poros, rajaduras alineadas y otras discontinuidades resultan en más o menos radiación alcanzando el medio de registro o visualización. Las variaciones en la radiación transmitida producen áreas ópticamente contrastadas sobre el medio de registro.

El factor mas importante en cualquier método de ensayo de soldadura no destructivo es la habilidad del inspector para interpretar correctamente los significados de los defectos descubiertos. Sólo a través de un estudio minucioso de muchas radiografías exhibiendo defectos conocidos puede tal habilidad ser alcanzada. Las fallas comunes de soldadura reveladas por radiografías son, en orden de frecuencia, porosidad, escoria atrapada, rajaduras, y falta de fusión.

Porosidad. La porosidad usualmente (pero no siempre) aparece como pequeños puntos circulares negros. Una cierta cantidad de porosidad es permisible en una soldadura; cuánto es permisible está determinado al las comparar radiografías con radiografías de soldaduras aceptables.

Inclusiones. La escoria atrapada es fácilmente distinguible de la porosidad debido a su forma de sombras grandes e irregulares. La escoria con frecuencia se extiende en forma paralela a la pared lateral de una unión, y es fácilmente y rápidamente identificada. Sólo una limitada cantidad de escoria atrapada es permisible y aceptable en estructuras soldadas.

Las inclusiones de escorias aparecen como áreas oscuras en materiales ferrosos, pero muchas aparecen como trazas comparativamente claras en metales de menor peso. Las áreas oscuras son creadas debido a que la escoria es menos densa que la aleación ferrosa, pero puede ser de mayor densidad que el metal de menor peso.

Las inclusiones de tungsteno en soldaduras de aluminio, producidas por técnicas impropias de GTAW, aparecen como áreas muy claras sobre la película; la densidad del tungsteno es de 19,3 g/cm3 (0,697 lb/pulgada3).

Rajaduras. Las rajaduras o grietas aparecen como líneas oscuras en la soldadura. Las rajaduras por contracción o esfuerzo pueden ser fácilmente reconocibles por su apariencia. Las rajaduras por contracción son generalmente irregulares, mientras que las rajaduras por esfuerzo son regulares y bien definidas.

Falta de fusión. La falta de fusión es usualmente fácil de reconocer, dado que tiene la apariencia de una delgada línea de escoria, o una rajadura, cercana a la pared de la junta.

Equipamiento.

El equipamiento requerido para llevar a cabo ensayos radiográficos comienza con una fuente de radiación; esta fuente puede ser tanto una máquina de rayos X, que requiere entrada eléctrica, o un isótopo radiactivo que produce radiación gamma. Los isótopos usualmente ofrecen mayor portabilidad. Ambos tipos de radiación requieren película y un soporte a prueba de luz como soporte, y un alfabeto de letras de plomo que son usados para identificar los objetos de ensayo. Debido a la alta densidad del plomo y el espesor local incrementado, estas letras forman áreas claras sobre la película revelada. Los parámetros indicadores de calidad (Image Quality Indicators ,  IQI o “pennys”), son usados para verificar la sensibilidad de resolución del ensayo. Estos IQIs son usualmente de dos tipos: laminillas o alambres. Ambos están especificados como tipo de material. El tipo laminillas tendrá un espesor específico y tamaños de perforaciones incluidos, y el tipo alambre tendrá diámetros específicos. La sensibilidad es verificada por la habilidad de detectar una diferencia dada en la densidad debido al espesor del medidor de penetración y al diámetro de la perforación, o diámetro del alambre.

Ensayo de soldaduras mediante rayos X.

Es un procedimiento de ensayo radiográfico no destructivo que utiliza rayos X o rayos gamma para detectar e indicar discontinuidades. Una imagen es proyectada sobre película fotográfica, papel sensibilizado, una pantalla fluorescente o un detector de radiación electrónico. La película fotográfica es normalmente usada para retener un registro permanente del ensayo. La impresión del film revelado es conocida como radiografía (radiograph en Inglés), y la ciencia de interpretar tales fotos es llamada radiografía (radiography en Inglés), que en Español se escriben iguales. Una Radiografía producida por rayos X es llamada exografía (exograph en Inglés). Los rayos X mas adecuados para inspecciones de soldaduras son los producidos por máquinas de rayos X de elevado voltaje. Las longitudes de onda de la radiación X están determinadas por el voltaje aplicado entre los elementos en el tubo de rayos X. Voltajes mas elevados producen rayos X de menor longitud de onda y mayores intensidades, resultando en mayor capacidad de penetración. Aplicaciones típicas de máquinas de rayos X para diferentes espesores de acero son mostradas en la tabla X-1. La habilidad penetrante de las máquinas puede ser mayor o menor que otros metales, dependiendo de las propiedades de absorción de los rayos X del metal en cuestión. Las propiedades de absorción de los rayos X son generalmente relacionadas con la densidad del metal.

 

Tabla X-1 Limitaciones de espesor aproximadas de acero para máquinas de rayos X.


 

Espesor máximo aproximado


Voltaje, KV mm pulgadas

100
150
200
250
400
1000
2000

8
19
25
50
75
125
200

0.33
0.75
1
2
3
5
8

El uso de máquinas de rayos X para el examen de soldaduras ha sido en gran medida suplantado por varios isótopos que proporcionan una fuente de radiación. Entre estos está el Cobalto-60, Cesio-137 e Iridio-192. Las limitaciones de espesor estimadas en el acero para estos radioisótopos está mostrada en la tabla X-2.

Tabla X-2. Limitaciones de espesor aproximadas para el acero y radioisótopos.
Radioisótopo Máquina de rayos X equivalente aproximada en kV Rango de espesor útil
Iridium- 192
Cesium- 137
Cobalt-60
800
1000
2000
12-65
12-90
50-230
0.5-2.5
0.5-3.5
2.0-9.0

Las ventajas y limitaciones de las fuentes de radiación son mostradas en la tabla X-3.

Tabla X-3. Ventajas y limitaciones de fuentes de radiación.
Radioisótopos Máquinas de rayos X

Ventajas

(1) Pequeño y portátil
(2) No requiere alimentación eléctrica
(3) No hay peligros eléctricos
(4) Resistentes
(5) Costo inicilal bajo
(6) Alto poder de penetración
(7) Acceso a pequeñas cavidades
(8) Bajos costos de mantenimiento

(1) La radiación puede ser desconectada
(2) El poder penetrante (kV) es ajustable
(3) Pueden ser usados en todos los metales
(4) Las rediografías tiene buen contraste y sensibilidad

Limitaciones

(1) Radiacióm emitida continuamente por el radioisótopo
(2) Riesgo de radiación si es manejado incorrectamente
(3) El poder de penetración no puede ser ajustado
(4) El radioisótopo decae en fuerza, requiriendo calibración y reemplazo
(5) Contraste radiográfico generalmente mas bajo que con los rayos X.

(1) Alto costo inicial
(2) Requiere fuente de alimentación eléctrica
(3) Equipo comparativamente frágil
(4) Menos portátil
(5) Cabezal del tubo generalmente grande en tamaño
(6) Riesgo de descarga eléctrica de alto voltaje
(7) Riesgo de radiación durante la operación

Ambiente histórico.

En 1895 el profesor Konrad Roentgen del la Universidad de Wurtzburg, Bavaria, observó por primera vez los efectos de la radiación X mientras pasaba una corriente eléctrica a través de un tubo de vacío. Los rayos Roentgen, como fueron oficialmente nombrados luego de su descubridor, rápidamente se volvieron conocidos como rayos X debido a su enigmático origen y sus cualidades.

La importancia de los rayos X en el campo médico es bien conocida. Las aplicaciones industriales de los rayos X permanecieron considerablemente retrasadas a las aplicaciones médicas, pero hacia los años 1930, la radiografía había comenzado a crecer volviéndose una poderosa herramienta de inspección de trabajos en metal. En 1918, aceros de 25 mm ( 1”) de espesor representaban el límite absoluto de penetración de los rayos X. A medida que los fabricantes mejoraban el proceso elevando el voltaje a través de los elementos del tubo, sin embargo, un incremento en el espesor del metal podía ser examinado radiográficamente.

H. H. Lester, un doctor en el Watertown Arsenal, Watertown, Massachusetts, fue uno de los pioneros en la radiografía de secciones de metal. En 1924, Lester condujo exámenes radiográficos de fundiciones que serían instaladas en la primera planta de potencia a presión de vapor de 8,3 Mpa (1200 psi) de los Estados Unidos para la Boston Edison Company, inspecciones radiográficas de las juntas soldadas de los tanques de presión siguieron a continuación. En 1930, la armada de los Estados Unidos especificó que los ensayos de rayos X debían ser hechos en las juntas de los tanques de calderas en forma longitudinal y circunferencial. A continuación, el Código de Calderas ASME de 1931 hizo exámenes con rayos X de costuras soldadas obligatorias para tambores de calderas de potencia y otros tanques de presión diseñados para condiciones severas de servicio. Otros requerimientos del código para ensayos de rayos X siguieron posteriormente.

Aplicaciones

El ensayo de rayos X para soldaduras es particularmente adecuado para soldaduras cabeza a cabeza, donde la soldadura y los metales base de soldadura permanecen en el mismo plano. Los rayos penetran el metal sin dañarlo, y toda la soldadura puede ser completamente inspeccionada.

Fundamentos

Los rayos X son producidos en un tubo evacuado mediante el impacto de una corriente de electrones de alta velocidad sobre una placa de metal, u objetivo, y el ánodo (electrodo positivo) del tubo. Los electrones son “arrojados” desde el cátodo (electrodo negativo) por medio de un filamento calentado y son acelerados a través del tubo al imprimirles un potencial extremadamente alto (sobre el orden de los cientos de kilovoltios). Los voltajes de los rayos X pueden alcanzar valores tan altos como el millón de voltios. Las corrientes, sin embargo, son extremadamente bajas, usualmente del orden de los 6 a 25 miliamperios.

Dado que los mismos son mucho más cortos en longitud de onda que la luz visible, los rayos X pueden penetrar objetos sólidos. Sin embargo, no pueden penetrar todos los objetos con igual facilidad, pero son absorbidos en un grado que depende del espesor y la densidad del material. Desde que la densidad es una función del peso atómico, los metales mas pesados ofrecen la mayor resistencia al paso de los rayos X. El plomo, una sustancia con alto peso atómico de 207,20, tiene un elevado grado de absorción de los rayos X y por lo tanto es usado como una coraza protectora contra estos rayos.

Como la luz visible, los rayos X viajan en línea recta a no ser que sean desviados. Como resultado, la imagen proyectada de un objeto será precisa en tamaño y forma. Cuando la imagen es almacenada sobre una película, la misma se vuelve una “imagen de sombra” dependiendo del espesor y densidad de cada parte a través de la cual el rayo viaja.

Los rayos X oscurecen una película fotográfica de la misma manera que la luz visible. Las regiones menos densas de una soldadura ofrecen la menor resistencia al paso de los rayos X. Estas porciones, consecuentemente, aparecerán más oscuras cuando la soldadura es radiografiada. La regiones mas densas, que ofrecen mayor resistencia de los rayos X, permitirán que menos rayos alcancen la película, y aparecerán como áreas de claridad comparativa. El proceso basado en este principio permite la rápida detección de fallas en las soldaduras como porosidades, entrada de escorias, rajaduras, falta de fusión, bolsillos de gas y agujeros de burbujas todos los cuales aparecerán en las radiografías como áreas oscuras.

El factor más importante en cualquier ensayo no destructivo de soldadura, es la habilidad del inspector para interpretar correctamente las indicaciones de los defectos descubiertos. Sólo a través de un cuidadoso estudio de muchas radiografías exhibiendo defectos conocidos, puede tal habilidad ser alcanzada. Las fallas comunes reveladas por las radiografías son (en orden de frecuencia): porosidad, escorias atrapadas, rajaduras y falta de fusión.

Cuando hay defecto y la soldadura debe ser quitada, el encontrar la localización exacta y la profundidad del defecto facilitará la tarea del soldador o del empleado encargado de llevar a cabo esta tarea. Esto puede ser hecho con doble exposición a la radiación. En éste método, las exposiciones son hechas desde dos ángulos diferentes sobre la misma película o sobre películas separadas. Las distancias son medidas entre dos posiciones de la fuente de radiación y entre cada posición de las marcas de identificación sobre la superficie de la placa. Las imágenes tanto del marcador como del defecto son proyectadas sobre la película. Al comparar las distancias conocidas y resolviendo triángulos similares, la ubicación exacta de la falla es fácilmente localizable. Esto permite al soldador comenzar el trabajo sobre el lado más cercano al defecto y remover, y luego reemplazar un mínimo de metal de soldadura.

Difracción de rayos X.

El equipamiento de rayos X puede además ser usado para investigar las propiedades de las soldaduras de los metales creando y examinando gráficos de difracción. Estos son producidos localizando en estrecho haz de rayos X a través de un tubo, pasando los rayos X a través de los rechupes del metal (defectos), luego a través de una pequeña y delgada muestra del material a ser investigado. Una película mantenida detrás de la muestra mostrará un punto central oscuro rodeado por una colección de rayos, anillos y puntos. Esto es  llamado el diagrama de difracción, y su análisis hace posible ver dentro de la estructura molecular de la materia y visualizar la disposición de las moléculas mismas. El análisis de difracción es muy importante en las industrias del acero y aleaciones, donde los esfuerzos y tensiones son un factor vital.

Los diagramas de difracción de rayos X pueden indicar la ductilidad del metal de soldadura o metal base, y además la presencia de áreas deformes. En la práctica, es costumbre hacer un número de diagramas para determinar la condición de diferentes áreas del metal: en el centro de la soldadura, el extremo del metal base cerca de la línea de fusión, dos o mas puntos en el metal base que han sufrido considerables cambios de temperatura durante la soldadura, y finalmente, un punto en el metal base removido lo suficientemente alejado de la soldadura de manera que se asuma que el mismo no ha sido afectado por el calor. Se debe tener en cuenta que sólo muy pocas muestras son suficientes para la investigación por medio de los diagramas de difracción, un cuidado considerable debe ser ejercitado en la preparación de las muestras para estar seguro que los diagramas no mostrarán condiciones introducidas por el método mismo de preparación, que no estaban originalmente presentes en las muestras. 


 

 

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