MEMORIAS CURSO ULTRASONIDO NIVEL I.pdf

8/19/2019 MEMORIAS CURSO ULTRASONIDO NIVEL I.pdf

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CURSO DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – ULTRA SONIDO 1

ULTRASONIDO

Ricardo Salazar

Nivel II


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1. TABLA DE VELOCIDADES

MATERIAL CORTE m/s COMP. m/s

Aluminio 3130 6320

Plomo 700 2160

Glicerina 1920

Hierro fundido 2200 3500

Magnesio 3050 5770

Bronce 2120 4430

Nickel 2960 5630

Plexigidas 1430 2730

Polietileno 925 2340

Acero 3250 5920

Agua 1480


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SONIDO

Para que se genere sonido se necesita que haya primero que todo un medio

elástico y segundo una perturbación de ese medio.

La perturbación del medio genera ondas que se encargan de transportar la

energía de dicha perturbación hacia otros puntos del medio elástico

.

A nivel micro estructural la perturbación del material se manifiesta en las

vibraciones de los átomos y moléculas que componen dicho material. Comoproducto de las vibraciones los átomos y moléculas se desplazan con respecto

a su punto de equilibrio básicamente de dos formas:

1- En el mismo sentido del desplazamiento de la onda. (Ondas longitudinales).

2- En sentido perpendicular al desplazamiento de la onda (Ondas

transversales).


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ULTRASONIDO

El Ultrasonido son todos aquellos sonidos cuyas vibraciones superan los 20000

Hz.

El rango audible de una persona normal esta entre 20 Hz y 20 KHz.

El Espectro completo del Ultrasonido se puede dividir en 3 partes:

1- Rango de bajas frecuencias: de 20KHz hasta 150 KHz.

2- Rango de frecuencias intermedias: de 1MHz hasta 5 MHz.

3- Rango de frecuencias altas: de 10 MHz hasta 20 MHz

APLICACIONES

El Ultrasonido tiene un campo bastante grande de aplicaciones. Para nombrar

solo algunas:

1- Medicina. En el diagnostico de pacientes.

2- Soldadura de componentes.

3- Limpieza.

4- Sistemas de seguridad.

5- Mediciones de distancia.


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6- Mediciones de caudal

7- Mediciones de velocidad

8- Inspección No-Destructiva.

Algunas aplicaciones dentro del campo de inspección son:

1- Detección de defectos en metales.

2- Medición de espesores.

3- Inspección de uniones soldadas en metales.

4- Inspección de uniones en materiales plásticos.

5- Inspección de concreto.6- Inspección de la madera.

7- Monitoreo por condición.

BREVE HISTORIA DE LA EVOLUCION DEL ULTRASONIDO

El estudio de la Acústica tiene probablemente su origen en la antigua Grecia

hacia el siglo 6 antes de Cristo con el filosofo Pitágoras, cuyos experimentos

sobre las cuerdas que vibran eran muy populares.

Galileo Galilei, (1564-1642) es quien comenzó los estudios más profundos

sobre la acústica con el estudio de las vibraciones y su relación con el paso y la

frecuencia de la fuente de sonido.

En 1822, el físico suizo Daniel Colladen empleó una campana submarina para

determinar la velocidad de propagación del sonido en las aguas del lago de

Ginebra.


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Después del hundimiento del Titanic en 1912, se desarrollaron varios

dispositivos para la detección de icebergs y luego para detectar submarinos

enemigos durante la primera guerra mundial.

En 1928, Serguei Sokolov, físico de origen ruso, propuso el empleo del

ultrasonido para la detección de defectos en metales. Debido a la precariedad

de la electrónica en ese entonces, los dispositivos desarrollados por él carecían

de precisión.

Solo hasta 1940, se desarrollan los primeros equipos con tecnología confiable

para defectología en cabeza de 3 personas Floyd Firestone, Donald Sproule y

Adolf Trost que al comienzo trabajaron por separado sin conocer cada uno la

existencia del otro.

Posteriormente en Alemania, los hermanos Krautkramer y Karl Deutsch

desarrollan equipos similares en firmas creadas por ellos que aún hoy en día

existen.


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VENTAJAS

1- Es la única técnica capaz de lograr una alta penetración en los

materiales, hasta del orden de metros.

2- Mide con precisión el tamaño y ubicación de los defectos.

3- Se puede emplear prácticamente en todos los materiales.

4- El equipo es bastante portátil y liviano.

5- No produce radiación ni daño alguno a las personas que operan el

equipo.

DESVENTAJAS

1- La interpretación es compleja.

2- Algunos equipos sofisticados tienen un alto costo.


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TEORIA

LA CADENA DE DETECCION

La cadena de detección para el ensayo ultrasónico impulso-eco puede ser

simplemente descrita como sigue:

Un pulso ultrasónico va a recorrer una línea recta a velocidad constante hasta

que se encuentre la interfase de un medio extraño. El sonido al chocar con un

medio extraño se va a reflejar de vuelta a su fuente de origen para su detección

y análisis.

Las frases claves son:

- Recorrido en línea recta a velocidad constante

- Interfase de un medio extraño

- Reflexión del fondo a la fuente de origen

- Detección y análisis

Cada frase juega un papel importante en la cadena de detección como sigue:

- Recorrido en línea recta a velocidad constante

Nos permite localizar la falla conociendo:

- El ángulo de propagación y

- Que el sonido se propaga en línea recta.


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La dirección del haz sónico puede ser determinada así:

ANGULO

θ

Conociendo el tiempo de llegada del impulso y que la velocidad de propagación

del sonido es constante, se puede calcular la distancia recorrida por el sonido

hasta la discontinuidad, empleando la relación matemática

Distancia = velocidad x tiempo

DISTANCIA

d LOCALIZACION

O medido electrónicamente usando el tiempo base de un equipo de

ultrasonido para defectología.


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BASE TIEMPO

- Interfase de un medio extraño

Se refiere al límite entre un medio homogéneo (Por ejemplo, el acero) y una

discontinuidad como una inclusión de escoria o porosidad.

La condición para que se presente la reflexión de sonido es que la

impedancia acústica del medio inspeccionado y la discontinuidad deben ser

diferentes.

Z1

Z1 y Z2 muy diferente

Z2

Z = símbolo para la Impedancia Acústica.

Si la falla fuese una inclusión de un material similar acústicamente al medio

de ensayo, el sonido pasaría a través de la falla sin que la reflexión tenga

lugar.


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Z2 Z1 = Z2

Afortunadamente los defectos en las estructuras metálicas son casi siempre

diferentes acústicamente al medio de ensayo

- Reflexión del fondo a su fuente de origen

Lo ideal es que la dirección del haz ultrasónico sea perpendicular a la

discontinuidad, pero esto no siempre es posible.

0 °

Para los defectos como porosidades e inclusiones de escoria irregulares, hay

que buscar la manera de que el haz ultrasónico choque en forma perpendicularcon estos, mediante la inclinación, giro y técnicas apropiadas de barrido con el

palpador.


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Si hay una discontinuidad relativamente plana y el sonido no incide en forma

perpendicular a ésta, al final será desviado y este defecto no será detectado.

X º

- Detección y análisis

El fenómeno Piezoeléctrico convierte el haz ultrasónico reflejado en un pulso

eléctrico que se puede observar en una pantalla de tubo de rayos catódicos.

Las características del pulso en la pantalla son:

- Amplitud

- Forma del pulso.

- Dinámica del pulso con el movimiento del palpador.

Esta información le permite al técnico:

- a) Localizar la falla con gran exactitud

- b) Determinar las dimensiones de la falla

- c) Determinar el tipo de falla


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RELACION DE LA FRECUENCIA Y LA LONGITUD DE ONDA

Nuestra cadena de detección comienza con la producción de un pulso sónico.

El Transductor va a oscilar por un corto período de tiempo, lo suficiente para

mandar 4 o 5 ondas mecánicas en serie conocidas como pulso.

Este pulso tiene - VELOCIDAD (V)

- FRECUENCIA (f)

- LONGITUD DE ONDA (λ)

Estos tres factores están matemáticamente relacionados como sigue:

f

V =λ

El parámetro a controlar es la frecuencia. Una vez que determinamos la

frecuencia se selecciona el transductor apropiado y conociendo que la

velocidad de propagación del sonido en un medio homogéneo es constante, la

longitud de onda tendrá un valor.

f

1λα


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DETECTABILIDAD

Por Detectabilidad se entiende la capacidad del haz ultrasónico de resolver una

discontinuidad de un determinado tamaño.

Este parámetro esta relacionado con la longitud de onda de tal manera que:

t ≤2

λ

Siendo t el tamaño del defecto.

A su vez la longitud de onda esta relacionada con la frecuencia así:

f

V

f V

=

=

λ

λ .

Para elegir la frecuencia a emplear se requiere también tener en cuenta las

propiedades micro-estructurales del material a inspeccionar, ya que estas

pueden causar mayor o menor atenuación del haz ultrasónico.

Algunas aplicaciones típicas de baja frecuencia (longitud de onda grande)

son:

- lingotes

- barras

- estructuras soldadas pesadas

Algunas aplicaciones típicas de alta frecuencia (longitud de onda corta) son:


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- pruebas de grosor en secciones finas

- componentes aeronáuticos

- estructuras livianas soldadas

TIPOS DE ONDAS Y SU PROPAGACIÓN

Ondas Longitudinales

Estas ondas son las más comunes y se producen por las deformaciones

infinitamente pequeñas del material a compresión y tracción. Cada vez que se

deforma el material se genera un tren de ondas cuya propagación va dirigida

en el mismo sentido de las vibraciones.

Propagación A = compresión-alta energía

De la onda B = compresión-baja energía

De compresión

A

Onda sinusoidal aumento de presión

B de sonido

El punto de baja presión en la onda se llama “rarefacción” y el punto alto de

presión “compresión”. Una onda es una transferencia de energía a través de un

medio por oscilaciones sucesivas de las partículas que componen el medio.

Esta transferencia de energía tiene dirección y velocidad. La velocidad puede

calcularse usando la formula simplificada


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ρ

E V =

Donde E = Modulo de Elasticidad constante

ρ = Densidad (ro)

Movimiento de la partícula

Dirección de propagación

Una onda ultrasónica se sostiene y se propaga a través de un material por

partículas, que oscilan alrededor de su punto de equilibrio, para simplificar esta

afirmación, vamos a considerar la figura siguiente

A B


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Estas no se pueden propagar por los gases y líquidos, ya que

rápidamente desaparecen

Ondas de superficie ( Rayleigh)

Las ondas Rayleigh viajan a través de la superficie de materiales relativamente

gruesos, penetrando hasta una longitud de onda. El movimiento de la partícula

tiene una orbita elíptica. Las ondas de Rayleigh son útiles en la detección de

defectos superficiales.

Las ondas de superficie se producen de la misma manera que las ondas

transversales. Tienen una velocidad aproximada de 0.9 Vt .

Ondas Lamb ( De platina)

Las ondas Lamb se pueden propagar solamente en materiales muy delgados.

Las ondas Lamb son ondas que vibran en forma compleja y viajan a través del

espesor completo del material. Ellas dependen de la densidad, elasticidad y las


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propiedades del material. Son bastante influenciadas por la frecuencia y el

espesor del material.

Con las ondas Lamb se producen básicamente dos modos de vibración de las

partículas:

Simétrico y antisimétrico.

Figura A


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Figura B.

EQUIPOS

Equipos para la detección de discontinuidades:

El instrumento básico proporciona las siguientes funciones:

- Presentación “A”

- Control normal y fino de las funciones de barrido y retardo en la base tiempo

o distancia recorrida por el sonido en la parte horizontal de la pantalla.

- Selección de la frecuencia.

- Control normal y fino de la ganancia del amplificador en dB

- Amortiguamiento del pulso recibido (amortiguación electrónica)- Filtros para reducir el ruido (pasto).

- Provisión de clavijas transmisión / receptor y transmisión

- Controles de luminosidad de la pantalla y foco de señales

El siguiente diagrama muestra los módulos que componen un equipo de

Ultrasonido

PANTALLA

RECTIFICACIÓNREFINAMIENTOAMORTIGUACION

AMPLIFICADOR


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INTERRUPTOR

DESCRIPCIÓN DE LAS FUNCIONES BÁSICAS:

PANTALLA

Barrido tipo A”:

La operación principal de la pantalla es la manipulación del punto flotante de

electrones chocando en la pantalla luminiscente, por placas deflectoras X e Y.

Aplicando un voltaje a través de estas placas se mueve el punto en la dirección

TRANSDUCTOR


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X o Y. La trayectoria descrita por el punto es mantenida durante cierto tiempo

en la pantalla dando la sensación de una señal que varia en amplitud (Eje Y) y

separación (Eje X).

Reloj:

Este circuito es el corazón del sistema y su función es coordinar el barrido de

la base tiempo con la transmisión de pulso y repetir la operación a tiempos

exactos que se conocen con el nombre de frecuencia de repetición de pulso

(FPP).

Barrido y retardo:

Este circuito controla la línea base de tiempo y afecta a ambos, a saber; la

posición del eco inicial y la escala tiempo/distancia en la escala horizontal.

Comienzo respuesta

del barrido de la transmisión


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Generador de pulsos (Osci lador):

Este circuito envía un tren de pulsos en forma sincronizada con el reloj al

amplificador y al transductor simultáneamente con una diferencia de potencial

entre 100 V y 800 V. En este circuito se encuentra el control de frecuencia que

nos permite variar la cantidad de pulsos eléctricos que va recibir en un

determinado lapso de tiempo el transductor. Para que haya una buena

respuesta del transductor, esta frecuencia debe estar dentro del rango de

frecuencias en que responde el palpador (Ancho de banda)

Ampl if icador:


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Este circuito cumple dos funciones: recepción sincronizada de frecuencia y

amplificación de la señal recibida del transductor

Rectificación, refinado y amortiguación electrónica:

Una vez que el pulso eléctrico es recibido por el amplificador se puede

incrementar su amplitud con el control de ganancia. Adicionalmente su

presentación en la pantalla puede ser una señal sin rectificar o con media onda

rectificada. Mediante el empleo de filtros se logra eliminar adecuadamente el

ruido que puede ser molesto en la pantalla.

Interruptor trasmisor/receptor (T/R):

En la operación con un palpador sencillo se conecta el circuito generador de

pulsos al amplificador y transductor simultáneamente, dando lugar a la

generación del eco inicial que nos va a servir de referencia en la pantalla para

medir el tiempo o distancia recorrido por el haz ultrasónico. Cuando se operan

palpadores duales, el generador de pulsos envía la señal solamente al

transductor que emite el sonido, mientras que el transductor restante opera

como receptor y envía su señal eléctrica al amplificador. Al final en la pantalla

del equipo no se observa ningún eco de referencia.

AMP AMP

OPERACIÓN DECRISTAL SIMPLE


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Frecuencia de repetición de pulsos:

Es usualmente de 500 a 2000 pulsos por segundo.

Esta FRP nos va a permitir mantener la señal por cierto tiempo en la pantalla

para que podamos apreciar con nuestra visión lo que esta ocurriendo muy

rápidamente dentro del material.

Esto se hace por transmisión de pulsos a intervalos regulares. El calculo

siguiente muestra como cada pulso esta espaciado en distancia.

Distancia entre pulsosPRF

Velocidad =

2000

/5920 segm=

= 2.96 m

Operación concristal doble


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2.96 metros

Para barras relativamente pequeñas, la frecuencia de repetición de pulsos

nunca es considerada, pero en inspecciones de grandes barras y en materiales

que tienen una baja velocidad de sonido, se debe tener en cuenta la

Frecuencia de Repetición de Pulsos.

Si se va a hacer una inspección de una barra de dos metros. El pulso tieneque recorrer la barra ida y vuelta, es decir una distancia de 4 metros. Al PRF

usado en el cálculo habría un encuentro de dos pulsos saliente y entrante a

medio metro del final de la barra.

Transmisión del Punto de encuentro

segundo punto

Vuelta del primer pulso

(1st. Pulse returning)

BARRA

(SHAFT)

50 cm.

Esta situación crea lo que se denomina “ecos fantasmas” y es indeseable

Imagen falsa

Respuesta o eco de fondo


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El objetivo es permitir la vuelta del pulso entrante antes de transmitir el pulso

precedente y en este caso habría que disminuir la FRP.

TIPOS DE INSPECCIÓN CON ULTRASONIDO

Técnica de Pulso-Eco

Esta es la técnica mas empleada de todas. El transductor que se encarga de

transmitir el sonido al material, es el mismo que recibe el sonido reflejado.

En realidad el camino recorrido por el sonido es el doble de lo que nos muestra

la pantalla del equipo.

La ubicación de los reflectores de sonido en la pantalla se hace utilizando la

escala horizontal del equipo, la cual representa el rango de distancia o tiempo

seleccionado.

La medición de la distancia o tiempo recorrido se hace fácilmente midiendo en

la escala horizontal el número de divisiones que hay entre el eco inicial y el eco

del reflector. Luego, para averiguar el camino recorrido por el sonido,simplemente se multiplica el número de divisiones por el factor de la escala


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Técnica de Transmisión

Esta técnica emplea dos palpadores, uno a cada lado y enfrentados sobre la

superficie a inspeccionar.

El camino recorrido por el sonido es la mitad del recorrido por la técnica de

pulso-eco y la señal que se recibe tiene una amplitud mucho más grande,

debido a la menor atenuación del sonido.

Al contrario de la presentación de la pantalla en la técnica de pulso-eco,

cuando hay un defecto el haz ultrasónico se interrumpe parcial o

completamente dependiendo del tamaño y ubicación de la discontinuidad,


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haciendo que la señal en la pantalla desaparezca igualmente parcial o

totalmente.

Técnica de Inmersión

El acople ultrasónico entre el palpador y la pieza a inspeccionar se hace

empleando agua contenida en un recipiente.

El palpador generalmente es manipulado por un brazo robotizado que mantiene

constante la separación e inclinación del palpador con respecto a la superficie

del objeto a inspeccionar.

Mediante esta técnica se evita la influencia de la zona muerta y los cambios

molestos de acople mecánico con la variación de la presión ejercida sobre el

palpador y la falta de homogeneidad del medio acoplante aplicado

manualmente.

Se debe evitar acercar el palpador a una distancia menor a 4 veces el espesor

de la pieza a inspeccionar ya que debido a la diferencia de velocidades entre el

agua y el material, a partir del segundo eco en la pantalla se tendrá que los

ecos reflejados por la superficie frontal se intercalaran con los obtenidos por la

superficie de fondo.


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TIPOS DE BARRIDO

Barrido tipo A, ó Scan A

Este barrido es el que se tiene comúnmente en la presentación de la señal en

la pantalla de cualquier equipo de ultrasonido. En esta presentación se observa

en la escala horizontal el eco inicial y los ecos producidos por la reflexión del

fondo del material y las discontinuidades


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Barrido tipo B, ó Scan B

En este tipo de presentación de la señal, se acumulan varias lecturas obtenidas

con el barrido scan A en la memoria del equipo. Luego, estas señales

almacenadas en la memoria pueden ser presentadas en la pantalla del equipo

o enviadas a una impresora. La presentación de la señal con el barrido tipo Bcorresponde a una vista de perfil como si en realidad se estuviera seccionando

el material en el área donde se realizó el barrido. Este tipo de presentación es

útil en la evaluación del espesor de componentes que han sufrido corrosión o

erosión.


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Barrido tipo C o Scan C

Para este tipo de presentación se emplea un brazo robotizado que barre un

área completa con sus coordenadas x,y almacenando la información en la

memoria del equipo. Una vez se termina la captura de datos, se muestra en la

pantalla del equipo una imagen en pseudocolores, con la apariencia de una

termografía, en donde cada color representa un espesor determinado del

objeto inspeccionado.


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Este tipo de presentación es un complemento a la presentación del barrido tipo

B, en donde se obtiene un ubicación espacial muy precisa de los defectos

encontrados en el material

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS SONORAS

Desplazamiento de las partículas o moléculas de un material elástico al paso

de la onda sonora

( )t Cos y y o ω = (1)

La ecuación (1) teniendo en cuenta la distancia recorrida por el sonido en la

dirección X será:

( )kxt Cos y y o −= ω (2)

Siendoλ

π 2=k (3) el número de onda.

La ecuación (2) empleando la identidad de los números complejos es


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( )kxt jo e y y −= ω .

(4)

Y representa el desplazamiento de la partícula molécula con respecto a un

punto de equilibrio causado por las deformaciones elásticas al paso de la onda

sonora.

La presión acústica P es la fuerza ejercida por el frente de onda sonora sobre

el área normal a través de la cual pasa esta.

Ambas magnitudes pueden ser representadas por una función Φ.

( )kxt jo e

−Φ=Φ ω .(5)

Diferenciando 2 veces la anterior ecuación con respecto a X.

( )kxt jo ek

x

−=∂

∂ ω φ φ

..22

2

(6)

Diferenciando 2 veces la misma ecuación con respecto a t.

( )kxt jo e

t

−=∂

∂ ω φ ω φ

..22

2

(7)


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Sic f

T

T

k ==== .

1.

2

2

λ λ

λ

π

π

ω

(8)

Dividiendo la ecuación (7) entre la (6) y teniendo en cuenta la ecuación (8), se

obtiene

2

22

2

2

xc

t ∂∂=

∂∂ φ φ

(9)

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂=

∂

∂

2

2

2

2

2

22

2

2

z y xc

t

φ φ φ φ

(10)

φ φ 222

2

∇=∂

∂c

t (11)

Ecuación General de la propagación del sonidoen la dirección X.

Ecuación General de lapropagación del

Sonido en la dirección X, Y y Z.

Ecuación General de lapropagación delSonido en forma vectorial


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FUERZAS DE COMPRESION Y TRACCION PRODUCIDAS POR LA

PRESION ACUSTICA DEL FRENTE DE ONDA

El balance de las fuerzas que ejerce la presión acústica de una onda

compresional sobre un volumen elemental en la dirección Y es:

Siendo dx.dy.dz el volumen elemental, ρ la densidad del material y2

2

t ∂

∂ φ la

aceleración de la onda compresional en la dirección Y.

2

2

...

t

dxdydzdzdx y

PPPdxdz

∂

∂=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂+−

φ ρ

(12)

dzPdx.

X

Y

Z

dzdx y

PP .⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂

∂+


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Si dy y dz son iguales a la unidad, la ecuación se simplifica así:

2

2

t y

P

∂

∂=∂

∂− φ ρ

(13)

La ecuación de Hooke para las deformaciones elásticas producidas por las

ondas compresionales en la dirección Y es:

y E P

∂

∂−= φ

(14)

Siendo E el modulo de Young del material y y∂

∂φ la deformación del material

con respecto a la dirección Y.

Diferenciando la ecuación (14) con respecto a Y:

2

2

y E

y

P

∂

∂−=

∂

∂ φ (15)

De las ecuaciones (13) y (15) se obtiene:

2

2

2

2

t y E

∂

∂=

∂

∂ φ ρ

φ

(16)

De las ecuaciones (9) en la dirección de Y y (16) se obtiene:


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IMPEDANCIA ACUSTICA

La Impedancia acústica es la resistencia al paso del sonido que tiene cada

material.

Esta magnitud es similar al concepto de la resistencia en los circuitos

eléctricos.

De acuerdo a la ley de Ohm:

I

V Z = (22)

Donde Z es la impedancia eléctrica, V la caída de potencial e I es la corriente

eléctrica.

U

P Z a = (23)

Za es la impedancia acústica, P es la presión acústica y U la velocidad de

desplazamiento

de la partícula o la molécula del material con respecto a su punto de equilibrio.

y E P

∂

∂−= φ

(14)

La ecuación de la propagación del sonido (5) en la dirección Y es:


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( )kyt jo e

−Φ=Φ ω .(24)

Diferenciando la ultima ecuación con respecto a Y.

( )kyt jo ek

y

−Φ−=∂

Φ∂ ω .. (25)

( )kyt jo e

t U −Φ=

∂

∂= ω ω

φ ..

(26)

t

y E

U

P Z a

∂

∂∂

∂−

==φ

φ

(27)

De las ecuaciones 14, 23, 25 y 26 se obtiene:

( )( )( )kyt j

o

kyt j

oa

e

ek E

U

P Z

−

−

Φ

Φ−−==

ω

ω

ω ..

..


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ω

k E

U

P Z a

.==

c

E

f

E E T

T

E

Z a ==== .

.2

2.

λ λ π λ

π

c

c

c

E Z a

ρ .2==

c Z a . ρ =

La impedancia acústica se mide en Rayls y debido a que es una unidad tan

pequeña se emplean los MRayls.

Los materiales poseen impedancia acústica para las diferentes ondas de

propagación, así por ejemplo existe impedancia acústica para las ondas

longitudinales y para las ondas transversales.

INTERACCION DE UN HAZ ULTRASONICO INCIDENTE EN FORMA

NORMAL CON UNA INTERFASE


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Las presiones acústicas incidente, reflejada y transmitida son:

( )

( )( ) xk t Sen AP

xk t Sen BP

xk t Sen AP

t

r

i

22

11

11

.

.

.

−=

+=

−=

ω

ω

ω

Las presiones acústicas expresadas en función de la velocidad de las

partículas o moléculas

U y la Impedancia acústica

2

1

1

.

.

.

Z U P

Z U P

Z U P

t t

r r

ii

=

−=

=

Pi

Pr

Pt

Ui

Ur

Ut

Z1

Z2Interfase


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Cuando hay contacto intimo entre los dos medios X= 0 y entonces

( )

( )

( )t Sen AP

t Sen BP

t Sen AP

t

r

i

ω

ω

ω

.

.

.

2

1

1

=

−=

=

El balance de presiones acústicas P y velocidades de las partículas U a través

de la interfase es:

t r i

t r i

U U U

PPP

+=

+=

Ampliando la anterior expresión:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

2

2

1

1

1

1

211

......

Z

t Sen A

Z

t Sen B

Z

t Sen At Sen At Sen Bt Sen A

ω ω ω ω ω ω

+=

+−=

Simplificando en las dos ecuaciones ( )t Sen

2

2

1

1

1

1

121

Z

A

Z

B

Z

A

B A A

+=

−=

( ) 12211

112

. Z A Z B A

B A A

=−

+=


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El coeficiente de presión acústica transmitida es:

1

2

A

A

P

P

i

t =

( )

( )

21

212

21221

221221

122221

122121

121

2

2..2

..2

..

Z Z

Z A A

Z Z A Z A

Z A Z A Z A

Z A Z A Z A

Z A Z A A A

A A B

+=

+=+=

=−

=+−

−=

21

2

1

21

21

22

Z Z

Z

A

Z Z Z A

P

P

i

t

+=

+=

El coeficiente de presión acústica reflejada es:

21

12

21

2

1

2

1

12

1

1

12

1

Z Z

Z Z

P

P

Z Z

Z

P

P

A

A

A

A A

A

B

P

P

i

r

i

r

i

r

+

−=

−+

=

−=−

==


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La intensidad de la onda sonora es proporcional a la amplitud de la presión

acústica al cuadrado

2P I ∝

El balance de intensidades de las ondas sonoras a través de una interfase es:

r t i I I I +=

Si se normaliza la anterior ecuación con respecto a i I

t r

i

r

i

t

i

i

I

I

I

I

I

I

α α +=

+=

1

La unidad es igual a la suma del coeficiente de reflexión y el coeficiente de

transmisión.

El coeficiente de reflexión es:

2

2

i

r

i

r r

P

P

I

I ==α

El coeficiente de reflexión será

( )

( )221

212

Z Z

Z Z r

+

−=α


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Y el coeficiente de transmisión será

r t α α −=1


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MODO DE CONVERSIÓN –ONDAS COMPRESIÓNALES A

TRANSVERSALES

El fenómeno de conversión de la propagación de ondas compresionales a

ondas transversales se presenta bajo la incidencia oblicua de una haz de

ondas longitudinales con respecto a una interfase.

a) Refracción

Ocurre cuando el haz incidente de ondas longitudinales en el medio 1 al chocar

con la interfase se refracta, es decir cambia de dirección en el medio 2, pero

adicionalmente se genera un segundo frente de ondas en el segundo medio

que corresponde a las ondas transversales.

Comp.

Corte


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b) Reflexión

Se presenta con un cambio de dirección del haz de ondas longitudinales

incidente, de tal forma que este rebota en la interfase volviendo al mismo medio

con un ángulo que es igual al mismo ángulo de incidencia. Este haz reflejado

es también de ondas longitudinales. Simultáneamente la incidencia oblicua del

haz sobre la interfase produce modo de conversión, generando un haz de

ondas transversales.

LEY DE SNELL

Para la refracción del sonido, la ley de Snelll describe la relación matemática

entre velocidad de propagación del sonido, el ángulo de incidencia θ1, y el

ángulo de refracción, como sigue:


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2

2

1

1

V

Sin

V

Sin θ θ =

Los ángulos de refracción mas empleados en palpadores angulares son:

- 45 °

- 60 °

- 70 °

- 90 ° ondas de superficie.

ATENUACIÓN DEL SONIDO:

La atenuación del sonido cuando se propaga en un material se debe a dos

factores: Divergencia del haz ultrasónico en la distancia, correspondiente al

Θ1- Angulo de incidencia.Θ2-Angulo de refracción.V1-Velocidad del haz en el medio 1.V2- Velocidad del haz en el medio 2.


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campo lejano y a los fenómenos de interacción del sonido con el material

inspeccionado.

La interacción del sonido con la micro-estructura del objeto a inspeccionar

puede resultar en absorción convirtiendo parte de la energía en calor,

dispersión o sea cambio de dirección del sonido cuando sale de los granos y

reflexión generada en la frontera de cada grano.

En esta expresión Ao es la amplitud inicial de la onda que se propaga en la

dirección Z.

A- Es la amplitud de la onda que ha viajado una distancia Z.

e- Es el numero Neperiano = 2.71828.

α-Coeficiente de atenuación de sonido Neper / m.

En la práctica, resulta más cómodo calcular la atenuación en Decibelios.

0

log20 A

AdB =

1 Neper = 8.686 dB.


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CAMPO CERCANO Y LEJANO

La geometría del haz ultrasónico a medida que se aleja del transductor

cambia. Primero este converge hacia un mismo punto con la ayuda de lentes

especiales y luego diverge en dependencia de la frecuencia y el tamaño del

palpador.


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Si nos imaginamos al transductor como un conjunto de diminutos

transductores, cada uno generando un pulso de sonido, estos serán sometidos

a los fenómenos de interferencia, la cual puede ser constructiva y destructiva.

La zona en donde se presentan estos fenómenos de interferencia es llamada la

Zona Cercana y se puede estimar aproximadamente con la siguiente

expresión:

λ 4

2 DCercana Zona =

No se recomienda hacer inspecciones trabajando dentro del campo cercano ya

que debido a los fenómenos de interferencia, la señal no es confiable.

La divergencia del haz ultrasónico se puede evaluar de la siguiente expresión:


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DSen

λ θ 22.1

2 =

En donde θ/2 es el ángulo de semi-divergencia.

TRANSDUCTORES ULTRASONICOS

Se llama transductor ultrasónico a cualquier dispositivo que mediante un

principio físico determinado produce sonido:

De acuerdo al principio físico los transductores se pueden clasificar así:

-Piezo-eléctricos.

-Magneto-estricción.

-EMAT.

-Laser

-Aéreos.

Los más empleados son los transductores piezo-eléctricos

Transductor piezo-eléctrico.


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Este transductor emplea el fenómeno piezo-eléctrico. Hay varios cristales

artificiales y naturales como el cuarzo que bajo la excitación eléctrica pueden

deformarse y viceversa al deformarlos producen pequeños pulsos eléctricos.

La diferencia de potencial necesaria para excitar estos transductores es

considerablemente alta: 100 V hasta 800 V.

Cada palpador tiene un rango de frecuencia donde va a responder. Este rango

corresponde a la respuesta de frecuencia del palpador que es una curva con la

cual el fabricante caracteriza a su palpador. Esta curva relaciona La

atenuación en dB versus la frecuencia.


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RESPUESTA DE FRECUENCIA DEL PALPADOR

La frecuencia máxima corresponde a la frecuencia en donde mejor responde el

transductor. Esta frecuencia es la de resonancia que se presenta cuando el

espesor del material del cristal es igual a media longitud de onda.

t f

f

t

=

=

=

2

1

12

λ

λ

Transductores aéreos

f f max

+3dB-


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Los transductores aéreos fueron desarrollados recientemente y su principal

ventaja al igual que los transductores EMAT, es que no se requiere acoplante

para transmitir el sonido al material.

De la teoría del Ultrasonido se conoce que la reflexión del sonido en las

interfases de aire metal o aire material compuesto es muy alta debido a la gran

diferencia de impedancias acústicas y solamente un 1% de toda la energía

producida se transmite al material a inspeccionar.

Este tipo de transductor solo opera hasta frecuencias máximo de 1 MHZ,

debido a que a frecuencias superiores a este valor pierde su eficiencia

Para aprovechar tan poca energía, este transductor opera con bastante

potencia aprovechando al máximo el efecto piezo-eléctrico y tiene conectado

dispositivos eléctricos para poder incrementar la resonancia del transductor.

Se emplea siempre doble transductor para reducir la distancia recorrida por el

sonido a la mitad y aumentar la relación Señal ruido al doble.


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Arreglos Geométr icos para producir di ferente tipos de ondas


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INSPECCIÓN CON ULTRASONIDO EN EL SECTOR AERONAUTICO

La inspección con ultrasonido tradicional en el sector aeronáutico tiene los

siguientes campos de aplicación:

- Detección de grietas originadas por fatiga, saliendo de los orificios de lossujetadores y fisuras originadas también por fatiga, en las orejas de los

herrajes de sujeción.

- Evaluación de espesores y corrosión escondida

- Detección de defectos en materiales compuestos como despegues y

deslaminaciones

- Inspección de uniones adhesivas por despegue en estructuras: metal-

metal y metal-compuesto.

INSPECCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS

En la inspección de materiales compuestos se emplean diferentes técnicas con

un rango de frecuencias que generalmente están entre los 50 y 300 KHz

Método de impedancia

En esta técnica se emplean transductores con un contacto en seco y puntual

con respecto al material a inspeccionar.

El principio físico del método esta basado en la evaluación de la rigidez de la

estructura multicapas, lo cual lo hace bastante útil para la detección de

despegues en uniones adhesivas.


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Cualquier cambio de la rigidez de la estructura, se reflejará sobre el transductor

piezoeléctrico que trabaja con un diapasón de frecuencias entre 500 Hz y 40

KHz

Método de pulso-eco

En esta técnica se emplea un palpador normal de baja frecuencia para evitar la

atenuación en la inspección de materiales compuestos. Desafortunadamente,

al disminuir la frecuencia, la resolución de defectos pequeños tambiéndisminuye.

Método de reverberación

El método de reverberación, es una variante de la técnica de pulso-eco, en

donde se observa los múltiples ecos reflejados en la estructura multicapas. Así,

por ejemplo en una unión adhesiva metal-compuesto en buenas condiciones,

se observará un decaimiento rápido de la amplitud de los ecos causada por la

alta atenuación de los compuestos. Cuando hay un despegue o falta de

adherencia del metal con el compuesto, la señal obtenida tendrá menos

atenuación, debido a que el sonido prácticamente se limita a vibrar dentro del

espesor del metal.

Método de transmisión

En este método se emplean dos palpadores normales enfrentados entre sí y

cuando hay una presencia de despegue, la transmisión de sonido del emisor al

receptor, se interrumpe y obviamente en el equipo la señal desaparece

Método de resonancia


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Aquí empleamos la resonancia entre el espesor del objeto a inspeccionar y la

frecuencia del palpador.

El instrumento permite cambiar las frecuencias de las vibraciones producidas

sobre el objeto de tal manera que cuando la semi-longitud de onda del sonido

producido sea equivalente al espesor del material, el sistema transductor

material entrará en resonancia y de esta manera se podrán evaluar espesores

y corrosión escondida en láminas delgadas.

EMISION ACUSTICA

La emisión acústica es un ultrasonido pasivo de baja frecuencia.

De acuerdo a la ASTM, es la generación de ondas elásticas transientes durante

una rápida generación de energía de fuentes localizadas dentro de un material.

Las fuentes de estas emisiones en los metales están asociadas con las

dislocaciones que acompañan la deformación plástica y el inicio de grietas en

una estructura bajo tensión.

La técnica de la emisión acústica, esta basada en la detección y conversión de

estas ondas elásticas de alta frecuencia en señales eléctricas.

La detección de estas fuentes sonoras puede realizarse con transductores

aéreos o en contacto con el material

Algunas aplicaciones son:

- Estudios de laboratorio

- Inspección no intrusiva en campo

- Evaluación de integridad estructural

- Pruebas de hermeticidad de recipientes

- Pruebas del fondo de los tanques

- Pruebas de cierre de válvulas


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- Detección de corrosión

- Pruebas de transformadores

- Materiales inteligentes

INSPECCION DE SOLDADURAS.

Entre las aplicaciones metalúrgicas del ensayo de ultrasonido, una de las mas

importantes es la inspección de soldaduras, o dicho de otra forma, la detección

de discontinuidades en uniones soldadas.

Previo al inicio de la inspección de una junta soldada, es importante conoceruna serie de factores, tales como:

• Materiales (tipo de material base, tipo de electrodo) .

• Dimensiones de la junta (espesores).

• Extensión del ensayo.

• Especificaciones aplicables.

• Tipo de Junta (diseño de bisel).• Proceso de soldadura.

Todos éstos datos deben ser suministrados por el fabricante, con el objetivo de

realizar calibraciones adecuadas a las normas que regirán la ejecución de los

ensayos.

• Tipos de Uniones Soldadas.

En general, las uniones soldadas pueden ser clasificadas en tres categorías:

• Uniones a tope.

• Uniones en ángulo.

• Uniones en “T”.

• Uniones a Tope.


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Las uniones a tope pueden ser definidas como uniones donde el ángulo

existente entre las piezas a soldar es 180°. En la Figura 8.4 se muestran

algunos tipos de uniones soldadas a tope indicando el símbolo según el tipo de

bisel.

En la Figura 8.4 se muestran algunos tipos de uniones soldadas a tope,

extraídas del Código de Soldadura Estructural de la Sociedad Americana de

Soldadura.


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Figura 8.4. Uniones soldadas a Tope

• Uniones en Ángulo.

Las uniones en ángulo son definidas como uniones en las que el ángulo

existente entre las piezas a soldar está por el orden del Angulo recto (± 90°), o

sea, forma esquinas entre las piezas soldadas. En la Figura 8.5 se muestran

algunos tipos de uniones en ángulo, con su símbolo respectivo según el tipo de

bisel.

En la Figura 8.5 se muestran algunos tipos de uniones soldadas en ángulo,extraídas del Código de Soldadura Estructural (Structural Welding Code) de la


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Sociedad Americana de Soldadura (A.W.S. -American Welding Society)

Sección 2.


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Figura 8.5. Uniones soldadas en ángulo

• Uniones en “T”

Las uniones en "T", generalmente, son definidas como uniones en las que el

terminal de un miembro es soldado a una zona intermedia del otro miembro. El

ángulo de unión puede ser diferente de 90°; sin embargo, en la Figura 8.6 se

muestran uniones soldadas tipo “T” con ángulo de unión igual a 90°, cada una

con su símbolo correspondiente.


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Las uniones soldadas mostradas en las Figuras 8.4, 8.5 y 8.6, fueron obtenidas

del Código A.W.S. (American Welding Society), Código de Soldadura

Estructural (Structural Welding Code), Sección 2, Figuras 2.9.1 y 2.10.1. Los


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ángulos y las dimensiones en general de las juntas dependen del

procedimiento de soldadura que se utilice, para lo cual debe ser consultado,

directamente, dicho Código. Sin embargo, el objetivo de estas Figuras es el de

presentar una idea general de los tipos de biseles y sus símbolos

correspondientes.

• Procesos de Soldadura

Para la realización de la inspección de soldaduras, es conveniente conocer el

proceso por el cual se efectúa o se efectuará la unión soldada. Existen una

gran cantidad de procedimientos patentados que en sí, pueden ser agrupadosentre los siguientes:

• Soldadura por arco con electrodo recubierto (shielded metal - arc

welding process).

• Soldadura por arco sumergido (submerged - arc welding process) .

• Soldadura por arco con electrodo recubierto internamente (self-shielded

flux-cored welding process).• Soldadura por arco con protección de gas (gas-shielded - arc welding

process).

Estos cuatro procesos de soldadura engloban las aplicaciones mas comunes.

Además, revisaremos brevemente algunos otros procesos de soldadura por

arco eléctrico especializados.

• Soldadura por Arco con Electrodo Recubierto.

El proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto (shielded metal - arc

welding process), comúnmente conocido como soldadura manual, es el mas

ampliamente usado entre los diferentes tipos de procesos de soldadura. Se

caracteriza por su versatilidad y flexibilidad y relativa simplicidad de los equipos

involucrados. Este es el proceso utilizado por los fabricantes de menor

envergadura, si bien es el que posee la aplicación mas extensa en la


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fabricación industrial, construcción de estructuras de acero, y otras muchas

aplicaciones.

En éste proceso, se forma un arco eléctrico entre la pieza a soldar y la varilla

metálica recubierta (de cierta longitud), o sea, el electrodo. El electrodo se

sujeta con la pinza porta electrodo, la que está unida por medio de cable a la

fuente de poder. La pinza se encuentra aislada y será manipulada por el

operador para que el extremo del electrodo forme el arco con las piezas que

conforman la junta. Cuando el extremo del electrodo toca la pieza, y

manteniendo la distancia, se establece el arco eléctrico, entonces se

completará el circuito de soldadura. El calor producido por el arco funde elmetal base en el área inmediata, funde también el metal ubicado en el núcleo

del electrodo y cualquier partícula metálica que se encuentre en el

recubrimiento del mismo. A la vez, por fusión, se produce la vaporización o la

rotura química de las sustancias no metálicas incorporadas en el recubrimiento,

protegiendo el arco eléctrico. La mezcla de materiales fundidos (metal base

mas material de relleno) provee la coalescencia requerida para efectuar la

junta.

A medida que avanza la soldadura, el electrodo va consumiéndose.

Finalmente, la soldadura debe ser detenida para sustituir el electrodo, o lo que

queda de él, por uno nuevo. El periodo de tiempo transcurrido entre los

sucesivos cambios de electrodos es la mayor desventaja de éste proceso de

soldadura, causando la disminución del factor de operabilidad.

Otra desventaja de éste proceso es la limitación en la corriente que puede ser

usada. Amperajes altos, tales como los utilizados en los procesos

semiautomáticos y automáticos, no pueden ser aplicados por causa de la

longitud (y sus variaciones) del electrodo entre el arco y el punto de contacto

con la pieza de soldar. La corriente se limita por causa de la resistencia al

calentamiento del electrodo. La temperatura del mismo no puede exceder al

punto de rotura del recubrimiento. Si esto ocurre, se producirán reacciones


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químicas entre el metal y el recubrimiento, o entre el recubrimiento y el aire,

teniendo como consecuencia el funcionamiento incorrecto del arco.

Los ingredientes del recubrimiento tienen varias funciones. Una de ellas es la

protección del arco; provee una cubierta densa e impenetrable de vapor o gas

alrededor del arco y del material fundido, para prevenir la entrada de oxígeno y

nitrógeno y la formación de óxidos y nitratos en la soldadura. Otra función es la

de proveer desoxidantes que refinen el material soldado. Una tercera es la de

producir una cubierta de escoria sobre los glóbulos fundidos de metal durante

su transferencia a través del arco y mientras se solidifique la soldadura. La

Figura 8.7 ilustra acerca del recubrimiento y la forma como el arco y el materialsoldado son protegidos del aire.

Figura 8.7. Diagrama ilustrativo de la soldadurapor arco con electrodo recubierto

Una función adicional del recubrimiento es la de proveer la ionización necesaria

para la soldadura con corriente alterna. Con la corriente alterna, el arco se

produce 120 veces por segundo. Para reiniciar el arco, el paso del flujo

eléctrico debe ser mantenido. Componentes en base a potasio en el

recubrimiento del electrodo permiten la ionización de las partículas necesarias

para mantener el flujo eléctrico durante fracciones de segundo, evitando la

extinción del arco por efecto de los ciclos de corriente alterna.


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El mecanismo de operación del proceso de soldadura por arco con electrodo

recubierto varía según el tipo de electrodo. Algunos tipos de electrodos

dependen de la desaparición de los gases de protección para resguardar el

arco eléctrico y el metal soldado. Con éstos electrodos se formará una capa

ligera de escoria sobre la soldadura. Otros tipos dependen justamente de la

escoria para la protección. La acción protectiva resulta de que los glóbulos

diminutos de metal fundido, que son transferidos desde el electrodo hasta la

soldadura, son cubiertos totalmente con una capa fina de escoria fundida, lo

que resulta en que la capa final de escoria que cubrirá el cordón de soldadura

será gruesa.

Las características de funcionamiento de los electrodos están referidas a las

propiedades de formación de la capa protectora de escoria. Electrodos con

capas de escoria gruesas poseen altas ratas de deposición y son adecuados

para las posiciones de soldadura horizontal y en bajada. Los electrodos que

desarrollan atmósferas de protección y producen capas de escoria delgadas,

tienen bajas ratas de deposición y son adecuados para las posiciones de

soldadura vertical y en subida.

Este proceso de soldadura requiere relativamente bajas corriente (10 a 500

Amperios) y voltaje (17 a 45 Voltios), que dependen del tipo y diámetro del

electrodo. La corriente puede ser alterna (AC) o directa (DC), o una

combinación de ambas AC/DC.

• Soldadura por Arco Sumergido.

El proceso de soldadura por arco sumergido (submerged - arc welding

process), difiere de otros procesos de soldadura por arco eléctrico en que la

cobertura de fundente, material granular, es usada para proteger el arco y el

material fundido. El arco eléctrico se forma entre la pieza a soldar y el electrodo

de alambre descubierto, el extremo de éste está sumergido en el flujo. Cuando

el arco eléctrico es cubierto completamente por el flujo, no será visible y la


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soldadura se llevará a cabo sin destellos, salpicaduras, ni chispas. Los

destellos, las salpicaduras y las chispas son características de los procesos de

arco eléctrico abierto. La naturaleza del flujo es semejante a una muy pequeña

exhalación de gases o vapores visibles que se desarrollan a causa de la fusión.

El proceso de soldadura por arco sumergido puede ser semiautomático o

automático, con alimentación mecánica del electrodo a la pistola de soldar,

cabezal o cabezales de soldadura. En el proceso semiautomático el operador

desplaza la pistola de soldar, equipada con un mecanismo que alimenta el flujo

de gases de protección, a lo largo de la junta. Los gases pueden ser

alimentados por flujo gravitacional, a través de una boquilla concéntricaubicada alrededor del electrodo y conectada a tanques presurizados. Los

gases de protección pueden también ser aplicados directamente a la junta,

pero cerca del arco eléctrico para que se haga posible su función. En las

procesos automáticos, los gases fluyen continuamente de la misma forma que

en los procesos semiautomáticos, además, las instalaciones automáticas están

provistas de sistemas de vacío que recogen los gases no utilizados y los

reciclan para ser rehusados.

Durante el proceso de soldadura, el calor generado por el arco eléctrico funde

parte del flujo gaseoso con la punta del electrodo, tal y coma se observa en la

Figura 8.8. La punta del electrodo y la zona soldada están, siempre, rodeados y

protegidos por los gases fundidos, con capas del flujo de gases sin fundir por

encima. El electrodo se debe mantener con una pequeña separación con

respecto a la junta a soldar. Con el avance progresivo de la soldadura, a lo

largo de la junta, los gases fundidos caen sobre el material formando la escoria.

El metal fundido, que tiene un punto de fusión mas alto, solidifica cuando la

escoria aun está fundida. Una vez que la escoria ha solidificado sobre la

soldadura, continua su función protectora debido a que la temperatura, aun

presente, puede provocar reacciones químicas con agentes atmosféricos

contaminantes, tales como oxigeno y nitrógeno. Una vez enfriada la zona

soldada, la cáscara de escoria puede ser levantada fácilmente.


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Figura 8.8. Diagrama ilustrativo de la soldadura por arco sumergido

En general, existen dos sistemas de protección en el proceso de soldadura por

arco sumergido, por adherencia y por fusión. El sistema por adherencia opera

bajo el principio de granos finos de compuestos químicos mezclados, tratadoscon agentes adhesivos y fabricados como agregados granulares. Los

desoxidantes son incorporados en el flujo de gases. El sistema por fusión

consiste en cristales que resultan de la fusión de varios elementos químicos

que son molidos desde cristales a forma granular. Los granos pueden poseer

elementos de aleación para la soldadura.

Con el proceso de soldadura por arco sumergido se pueden aplicar corrientes

altas, con las que se desarrollan temperaturas elevadas. Debido a que la

corriente es aplicada al electrodo, cuyo extremo está separado cierta distancia

de la pieza de soldar, es necesario usar amperajes altos con electrodos de

diámetro pequeño. El resultado es la presencia de corrientes de densidad

elevada en secciones relativamente pequeñas de los electrodos.

La cobertura aislante ubicada por encima del arco eléctrico previene

rápidamente las fugas de calor, y lo concentra en la zona fundida. No


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solamente el electrodo y el material base, en el bisel, funden rápidamente, pues

la fusión se profundiza en el material base. Debido a la gran penetración de la

fusión, es posible usar biseles pequeños, por tanto se minimiza la cantidad de

material de aporte por longitud de soldadura y se aumenta la velocidad. La

cantidad de calor aplicado a la junta es, por tanto, reducida debido a la

velocidad de soldadura, lo que implica que las deformaciones o distorsiones

ocurridas por el calor pueden prevenirse. Las juntas con espesores

relativamente bajos podrán ser unidas con la aplicación de un solo pase de

soldadura.

A través de la regulación de la corriente, el voltaje y la velocidad, el operadorpuede ejercer un control preciso sobre la penetración para obtener los rangos

adecuados. Pueden obtenerse cordones profundos y delgados, reforzados por

sobreespesor, o anchos con poca profundidad y superficiales. Los cordones

realizados con gran penetración pueden contener alrededor de un 70% de

material base fundido, mientras que las soldaduras anchas y superficiales un

10% del metal base. Las propiedades de alto poder de penetración del proceso

de soldadura por arco sumergido pueden ser utilizadas para eliminar o reducir

la preparación de biseles.

Las ratas de deposición, mediante la soldadura por arco sumergido, son

bastante altas, tanto como diez veces las obtenidas con el proceso de

soldadura con electrodo recubierto.

La soldadura por arco sumergido puede efectuarse tanto con corriente alterna

(AC), como con corriente directa (DC). Soldar con corriente directa permite un

mejor control de la forma del cordón, la penetración, y la velocidad de

soldadura, el comienzo se hace mas fácil. Operar con corriente alterna permite

altas ratas de depósito y mínima penetración.

El proceso de soldadura por arco sumergido puede aplicarse con todos los

tipos de junta, y en materiales tales como: aceros al carbono y de baja


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En la Figura 8.9 se ilustra el proceso de soldadura por arco con electrodo

recubierto internamente. En la boquilla, el dispositivo de contacto eléctrico

sirve, a la vez, como guía para el electrodo hacia la soldadura; además, ésta se

encuentra aislada en la punta. Se observan, también, las gotas de metal

fundido en descenso hacia la zona de soldadura, cubiertas de capas delgadas

de escoria fundida; así como los gases de protección generados durante el

proceso, y la formación de la escoria que protegerá la junta durante el

enfriamiento.

Esencialmente, la soldadura por arco semiautomática con recubrimiento interno

difiere del proceso de soldadura por arco manual, con electrodo recubierto, enque los electrodos utilizados pueden ser tan largos como se requiera en el

primero, mientras que los electrodos recubiertos externamente tienen

longitudes estándares que, en la mayoría de los casos, resulta insuficiente.

El proceso de soldadura semiautomático funciona con un sistema de pistola, el

cual es manejado por un operador que, al ser manipulado el gatillo, activa el

mecanismo que alimenta el flujo del electrodo hacia el arco eléctrico. La mayor

diferencia entre este proceso y los restantes, radica en que el material de

aporte del electrodo rodea a los elementos desoxidantes y de protección

química, mientras que en los procesos restantes ocurre lo contrario.

La automatización del proceso de soldadura que involucra la utilización de

electrodos recubiertos internamente es un paso adicional hacia la

mecanización, o sea, la sustitución de los procesos que operan bajo la

manipulación de los sistemas de arco abierto.

Una razón de la incorporación del recubrimiento en el centro del alambre

tubular, es la factibilidad de poder embobinar el electrodo; los electrodos con

recubrimiento externo son frágiles, lo que imposibilita su embobinado. La

posibilidad de embobinar los electrodos resuelve el problema de como

mantener el contacto eléctrico continuamente durante el proceso de soldadura.


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Cuando se habló del proceso que envuelve la utilización de electrodos

recubiertos externamente, se mencionó que una de las limitaciones es el nivel

de corriente eléctrica aplicada durante el proceso; si éste es sobrepasado,

causará sobrecalentamiento y dañará el recubrimiento; lo cual puede ocurrir

fácilmente debido a las variaciones de longitud del electrodo entre el punto de

contacto eléctrico en la pinza y el extremo. Pero cuando el contacto eléctrico

puede hacerse cercano al arco, y con la distancia constante, tal y como ocurre

con el proceso en cuestión, pueden utilizarse corrientes relativamente altas con

electrodos de alambre de diámetro pequeño. Por esta razón, es posible obtener

altas ratas de deposición con los sistemas semiautomáticos.

Las ratas de deposición obtenidas, además de la alimentación automática

eliminando las pérdidas de tiempo por el cambio de electrodos, resulta en una

economía sustancial de la producción por lo que el proceso semiautomático ha

venido reemplazando los procesos manuales. Este proceso implica una

disminución de los costos de soldadura de hasta un 50 %, y el incremento en la

rata de deposición de hasta a el 400%.

El proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto internamente

presenta una serie de ventajas que pueden ser resumidas en:

• Con respecto al proceso de soldadura por arco, manual, con electrodo

recubierto, la alta de deposición aumenta alrededor de cuatro veces,

disminuyendo los costos involucrados entre 50 y 75 %.

• Elimina la necesidad de equipos o mecanismos adicionales para realizar

el recubrimiento, tal como se aplica en la soldadura por arco sumergido,

o de tanques para los gases de protección, como en el proceso de

soldadura por arco con protección de gas. El proceso es aplicable donde

los otros pueden ser demasiado difíciles de manejar.

• Presenta buenos resultados en soldadura de aceros donde, con los

otros procesos, normalmente se producen grietas. Sin embargo, en


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aceros al carbono medianos puede causar agrietamiento al usar

procedimientos de soldadura normales.

• Bajo condiciones normales, elimina los problemas causados por los

aumentos de la humedad y almacenamiento que ocurren con electrodos

de bajo hidrógeno.

• Elimina el despilfarro de trozos o pedazos de electrodos, así como las

pérdidas de tiempo ocurridas durante el cambio o sustitución de los

mismos.

• Es adaptable a una gran variedad de materiales y aleaciones, permite la

operación continua y la soldadura de todos los tipos de juntas.

• Procesos de Soldadura por Arco con Protección de Gas.

Cuando hablamos de los procesos de soldadura por arco con electrodo

recubierto (ver Apartados 8.2.2.1 y 8.2.2.3) fue mencionado que éstosdependen, en parte, de los gases generados por el calentamiento del

recubrimiento, causado por el arco eléctrico. En contraste, los procesos de

soldadura por arco con protección de gas (gas shielded arc welding proccess)

utilizan ambos métodos: electrodo desnudo o alambre recubierto internamente

y gases provenientes de fuentes externas como protección. El gas es

suministrado por una boquilla que rodea al electrodo, éste debe ser inerte, tal

como argón, helio o dióxido de carbono, siendo este el mas barato entre los

apropiados para la soldadura de los aceros. Algunas veces se utilizan mezclas

de gas inertes, oxígeno y dióxido de carbono, solamente para producir

características especiales del arco eléctrico.

Entre los procesos de soldadura por arco con protección de gas, se pueden

mencionar tres que son los que poseen mayores aplicaciones en la industria,

que son:


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• Soldadura por arco con electrodo recubierto interna mente y protección

de gas

• Soldadura por arco con protección de gas,

• Soldadura por arco con electrodo de tungsteno y atmósfera inerte.

• Proceso de Soldadura por Arco con Recubrimiento Interno y

Protección de Gas.

El proceso de soldadura por arco con el electrodo recubierto internamente y

protección de gas (gas shielded flux-cored process), es un híbrido entre el

proceso de soldadura por arco con recubrimiento interno y el proceso de

soldadura por arco con protección de gas. Los electrodos utilizados son

alambres tubulares, tal como los usados en el proceso que involucra la

aplicación de electrodos con recubrimiento interno, pero los ingredientes

internos son para mejorar el flujo de material fundido, desoxidar, y algunas

veces para la adición de elementos de aleación, mas que para generar los

gases de protección. Por otra parte, es similar al proceso de soldadura por arco

con protección de gas, pues el gas es aplicado separadamente (ver Figura8.10).

Figura 8.10. Diagrama ilustrativo del proceso de soldadurapor arco con recubrimiento interno y protección de gas


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Las pistolas de soldar y los cabezales, en lo que respecta a los procesos de

soldadura semiautomáticos y automáticos, son mas complejos que los usados

en el proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto internamente. En

éste se adicionan los conductos para el flujo de los gases de protección. Si

además, el enfriamiento del cabezal se realiza por agua, los conductos para la

circulación del líquido serán incluidos. El mecanismo de alimentación del

electrodo es similar al utilizado en los equipos para la soldadura por arco con

electrodo recubierto internamente.

Su aplicación está destinada a la soldadura de aceros templados y de baja

aleación. Proporciona altas ratas y eficiencias de deposición y altos factores de

operación. Proporciona juntas soldadas de gran calidad, y los cordones de

soldadura en aceros templados y de baja aleación tienen muy buenas

ductilidad y dureza. El proceso es adaptable a una gran variedad de juntas y es

posible lograr todas las posiciones de soldadura.

• Proceso de Soldadura por Arco con Protección de Gas.

El proceso de soldadura por arco, semiautomático, con protección de gas (gas

metal arc welding), mejor conocido como M.I.G. (metal inert gas), utiliza

electrodos continuos para el relleno y fuentes externas de gas de protección. El

gas de protección, bien puede ser helio, argón, dióxido de carbono o una

mezcla de ellos, protege el metal fundido de reacciones químicas con

elementos constituyentes de la atmósfera. Si bien, la atmósfera de gas es

efectiva en la protección del metal fundido, los electrodos son también aleados

con elementos desoxidantes. Algunas veces se aplica a los electrodos

recubrimientos ligeros para estabilizar el arco, o películas lubricantes para

incrementar la eficiencia en la alimentación del electrodo. Pueden incluirse,

también, gases reactivos en la mezcla de protección para acondicionar el arco

eléctrico. En la Figura 8.11 se muestra un esquema del método de soldadura

con protección de gas y alimentación continua del electrodo.


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Figura 8.11. Diagrama ilustrativo del proceso de soldadurapor arco con protección de gas

El proceso de soldadura M.I.G. puede ser usado con la mayoría de los

materiales metálicos comerciales, entre los que se pueden mencionar: aceros

al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables, aluminio, magnesio, cobre,

hierro, titanio, etc. La mayor parte de los aceros son soldados

satisfactoriamente con éste proceso. Cuando se unen por soldadura aceros de

bajo carbono y aceros de baja aleación, se utilizan atmósferas de dióxido de

carbono o mezclas de argón y oxígeno, mientras que las atmósferas de gases

inertes puros se utilizan para soldar aceros de alta aleación.

La transferencia del material con el proceso de soldadura M.I.G. se realiza por

dos métodos: arco rociado o circuito corto. El método de arco rociado consiste

en gotas de metal fundido que se desprenden del electrodo y, a través del arco

eléctrico, caen a la pieza. Por su parte, el método de circuito corto, consiste en

la transferencia del metal fundido a la pieza cuando el extremo del electrodo se

funde por contacto con el material fundido de la pieza. El método de circuito

corto utiliza corrientes bajas, voltajes bajos y alambres de diámetro pequeño.

El método de transferencia por arco rociado se subdivide en dos tipos

diferentes. Cuando el gas de protección es argón o una mezcla de argón y

oxígeno, las gotas de metal fundido son sumamente finas, por lo que nunca se


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crean circuitos eléctricos cortos. Cuando se utilizan atmósferas de dióxido de

carbono o mezclas de argón y dióxido de carbono, tiende a formarse gotas de

material fundido de diámetro mayor al del electrodo. Estas gotas, grandes en

dimensión, causan circuitos eléctricos cortos, por lo que éste modo se conoce

como transferencia globular.

El arco rociado produce calor intenso, arco eléctrico de alto voltaje, y, así, es

posible obtener ratas mas altas de deposición que el método de circuito corto.

Se requieren corrientes de alta densidad para la transferencia de metal a través

del arco.

• Proceso de Soldadura por Arco con Electrodo de Tungsteno y

Atmósfera Inerte.

La definición del proceso de soldadura por arco con electrodo de tungsteno y

atmósfera inerte (gas tungsten arc welding - T.I.G.), es un proceso de

soldadura en el cual se produce la coalescencia por calentamiento con un arco

eléctrico formado entre el electrodo de tungsteno y la pieza a soldar. El metal

de relleno puede o no ser usado. La protección del arco se obtiene con gas o

mezcla de gases.

El electrodo de tungsteno, no consumible, hace las veces de soplete,

mecanismo de calentamiento. Bajo la acción del gas protector, los metales a

ser unidos deben ser calentados por encima de sus puntos de fusión para que

se produzca la soldadura. Una vez enfriada el área fundida, ésta solidificará

produciéndose la unión. Se debe aplicar presión a las piezas cuando los

extremos se aproximen al estado fundido para que pueda ocurrir la

coalescencia. La soldadura efectuada de ésta forma no requiere material de

aporte.

Si el trabajo es muy fuerte para la simple fusión de los extremos de la junta, o si

el bisel es abierto, es necesaria la adición de materiales de relleno. El material

de aporte es suplido en forma de varilla, manualmente o por alimentación


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mecánica, a la zona fundida. Ambos, el extremo del electrodo de tungsteno, no

consumible, y la punta de la varilla de relleno, además de las piezas a unir, se

encuentran dentro del gas de protección, por lo que se produce la soldadura.

En la Figura 8.12 se ilustra el principio por el que se produce la soldadura

T.I.G., tanto para los procesos manuales como los automáticos. En los

procesos automáticos, la alimentación del alambre se efectúa mecánicamente

a través de una guía. Cuando se llevan a cabo juntas manualmente, varía el

modo de alimentación; la varilla de material de aporte se coloca o se presiona a

lo largo de la junta y la fusión se produce con los extremos de las piezas a unir.

Todos los tipos de juntas estándares pueden ser soldadas con los procesos desoldadura con electrodo de tungsteno y, lógicamente, con la adición o no de

material de aporte.

Figura 8.12. Diagrama ilustrativo del proceso de soldadurapor arco con electrodo de tungsteno y atmósfera inerte

Usualmente, el arco eléctrico se comienza por un mecanismo que produce altovoltaje de alta frecuencia, que provoca una chispa que salta desde el electrodo


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a la pieza e inicia la corriente de soldadura. Una vez que se ha iniciado el arco,

se mueve el electrodo en círculos pequeños para desarrollar un área de metal

fundido. La varilla de relleno avanza hacia la zona de fusión, mientras los ciclos

de movimiento del electrodo se repiten con el avance a lo largo de la zona a

soldar.

Los materiales soldables mediante el proceso T.I.G. son: aceros al carbono

(muchos grados), aceros aleados, aceros inoxidables, aluminio y gran parte de

sus aleaciones, magnesio, cobre, latones y bronce, aleaciones de alta

temperatura de varios tipos, numerosas aleaciones de superficie dura, y

algunos materiales especiales tales como titanio, zirconio, oro y plata. Elproceso puede adaptarse especialmente para soldar materiales delgados,

donde los requerimientos de calidad y acabado son exigentes.

Los gases empleados en los procesos T.I.G. son: argón y helio o una mezcla

de ambos. Los materiales de relleno tienen gran variedad de aleaciones, y con

frecuencia son similares, aunque no necesariamente iguales al material base.

• Procesos de Soldadura por Arco Especializados.

Las uniones soldadas también pueden ser realizadas mediante procesos

diferentes a los que utilizan la energía producida eléctricamente como principio

fundamental. Algunos ejemplos de éstos procesos son: soldadura

oxiacetilénica, soldadura por fricción, soldadura por explosivos, etc. Sin

embargo, existen varios métodos que se fundamentan, también, en la

aplicación de la energía eléctrica, pero por principios diferentes al arco

eléctrico. Ejemplos de éstos tipos son: soldadura ultrasónica, soldadura por

resistencia eléctrica, soldadura por haz de electrones, soldadura por

electrodeposición, etc.

Igualmente, una gran cantidad de procesos que pueden ser llamados

"procesos de soldadura por arco eléctrico”, que no entran en las categorías

básicas anteriormente descritas (ver Apartados 8.2.2.1 a 8.2.2.4). En algunos


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casos, estos procesos de soldadura por arco eléctrico especializados son

modificaciones o adaptaciones de los procesos básicos. Así, el proceso de

soldadura vertical por arco con protección de gas (Electrogas Welding

Process), algunas veces es considerado como otro proceso de soldadura

diferente, como también puede ser considerado como una aplicación especial

del proceso de soldadura por arco con recubrimiento interno y protección de

gas (gas shielded flux cored arc welding process), ver Apartado 8.2.2.4.1.

Similarmente, el proceso de soldadura vertical por arco con protección de

escoria, Electroslag Welding Process, es una variación del proceso de

soldadura por arco sumergido (submerged arc welding process),.

• Proceso de Soldadura Vertical por Arco con Protección de Escoria.

E

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