Indice
1. Fundamentos teóricos del ensayo
radiográfico
2. Desarrollo del
Ensayo
3. Bibliografía
consultada
1. Fundamentos teóricos
del ensayo
radiográfico
Definición y origen de
los rayos-X
Se trata de una radiación
electromagnética penetrante, con una longitud de onda
menor que la luz visible,
producida bombardeando un blanco —generalmente de
wolframio— con electrones de alta velocidad. Los
rayos X fueron descubiertos de forma accidental en 1895 por
el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen mientras
estudiaba los rayos catódicos en un tubo de descarga
gaseosa de alto voltaje. A pesar de que el tubo estaba dentro de
una caja de cartón negro, Roentgen vio que una pantalla de
platinocianuro de bario, que casualmente estaba cerca,
emitía luz fluorescente
siempre que funcionaba el tubo. Tras realizar experimentos
adicionales, determinó que la fluorescencia se
debía a una radiación
invisible más penetrante que la radiación
ultravioleta. Roentgen llamó a los rayos invisibles
"rayos X" por su naturaleza
desconocida. Posteriormente, los rayos X fueron
también denominados rayos Roentgen en su honor.
Naturaleza de los rayos-X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya
longitud de onda va desde unos 10 nm hasta 0,001 nm
(1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto
menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su
energía y poder de
penetración. Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos
a la banda ultravioleta del espectro electromagnético, se
conocen como rayos X blandos; los de menor longitud de onda,
que están más próximos a la zona de rayos
gamma o incluso se solapan con ésta, se denominan
rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de
muchas longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X
‘blancos’, para diferenciarlos de los rayos X
monocromáticos, que tienen una única longitud de
onda. Tanto la luz visible como los rayos X se producen a
raíz de las transiciones de los electrones atómicos
de una órbita a otra. La luz visible corresponde a
transiciones de electrones externos y los rayos X a
transiciones de electrones internos. Los rayos gamma, cuyos
efectos son similares a los de los rayos X, se producen por
transiciones de energía en el interior de núcleos
excitados. El espectro de difracción de la luz se observa
en la figura 1.
fig. 1 – Espectro de difracción de la
luz
Los rayos X se producen siempre que se bombardea un
objeto material con electrones de alta velocidad.
Gran parte de la energía de los electrones se pierde en
forma de calor; el
resto produce rayos X al provocar cambios en los
átomos del blanco como resultado del impacto. Los
rayos X emitidos no pueden tener una energía mayor
que la energía cinética de los electrones que los
producen. La radiación emitida no es monocromática,
sino que se compone de una amplia gama de longitudes de onda, con
un marcado límite inferior que corresponde a la
energía máxima de los electrones empleados para el bombardeo.
Tubo de rayos-X
Carcasa protectora: el tubo de rayos X, siempre
está montado en una carcasa protectora, formada de plomo,
y diseñada para controlar los serios peligros que
afectaron a la radiología en sus principios,
(exposición excesiva a la radiación,
descarga eléctrica). La carcasa protectora proporciona
también un soporte mecánico al tubo de rayos X, y
lo protege frente al posible daño producido por la
manipulación descuidada. Cuando se producen, los rayos X
son emitidos con la misma intensidad en todas las direcciones,
pero nosotros solo empleamos los emitidos a través de una
sección especial del tubo de rayos X, llamada ventana. Los
rayos X emitidos a través de la ventana se conocen como
haz útil, los restantes que se escapan a través de
la carcasa protectora son, la radiación de fuga.
La carcasa protectora, alrededor de algunos tubos de rayos X,
contiene aceite que actúa como aislante técnico y
refrigerador.
Envoltura de cristal: el de rayos X, es un tipo especial de tubo
de vacío, los componentes del tubo se encuentran dentro de
una envoltura de cristal. Esta envoltura, que debe de ser
fabricada de un vidrio que pueda
soportar el tremendo calor
generado, mantiene el vacío, lo cual hace posible una
producción mas eficaz de rayos X, y
prolonga la vida del tubo. Si estuviera lleno de gas,
disminuiría el flujo de electrones que van del
cátodo al ánodo, se producirían menos rayos
X y se crearía mas calor. La ventana del tubo es de un
cristal mas fino que deja filtrar los rayos X. Es un segmento que
permite una máxima emisión de rayos X con
absorción mínima por la envoltura de cristal.
Cátodo: parte negativa del tubo de rayos X, tiene dos
partes principales: el filamento y la copa de enfoque.
Filamento: es una espiral de alambre que emite electrones al ser
calentado. Cuando la corriente que atraviesa el filamento es lo
suficientemente intensa, de aproximadamente 4 a 5 Ampere o
superior, los electrones de la copa externa del filamento entran
en ebullición y son expulsados del filamento, este
fenómeno se conoce como emisión termoiónica.
Los filamentos suelen estar formados por Tungsteno Tórico,
el Tungsteno proporciona una emisión termoiónica
mayor que otros metales. Su punto
de fusión
es de 3410 °C, de forma que no es probable que se funda con
el calor, además no se evaporiza, puesto que si lo hiciera
el tubo se llenaría rápidamente de gas. La
adición de un uno a un dos por ciento de Torio al
filamento de Tungsteno, incrementa la eficacia de la
emisión de electrones y prolonga la vida del tubo.
La copa de enfoque es un refuerzo metálico del filamento,
condensa el haz de electrones en un área pequeña
del cátodo. La efectividad de la copa de enfoque depende
de tres factores:
1- La corriente del filamento que regula la cantidad de rayos X
de salida.
2- El tamaño del filamento impone el tamaño del
foco efectivo que se produce en el ánodo. Los tubos de
rayos X suelen llevar dos filamentos de diferente tamaño,
que proporcionan dos puntos focales; el punto focal de
tamaño pequeño se asocia con el filamento menor y
se emplea cuando se necesitan imágenes
de alta resolución. El punto focal de tamaño grande
se asocia con el filamento mayor y se emplea cuando se necesitan
técnicas que produzcan gran cantidad de
calor.
3- La situación de uno u otro suele hacerse con el
selector que se encuentra en la consola de control.
Anodo: es el lado positivo del tubo de rayos X, existen dos
tipos: estacionarios y rotatorios
El ánodo tiene tres funciones en el
tubo de rayos X:
1- Es un conductor eléctrico
2- Proporciona soporte mecánico al blanco.
3- Debe ser un buen conductor térmico, cuando los
electrones chocan con el ánodo, más del 99% de su
energía cinética se convierte en calor, que debe
ser eliminado rápidamente antes de que pueda fundir el
ánodo. El cobre es el
material más utilizado en el ánodo.
Punto focal: es el área del blanco desde la que se emiten
los rayos X. Constituye la fuente de radiación.
Blanco: es el área del ánodo con la que chocan los
electrones procedentes del cátodo. En los tubos de
ánodo estacionario, el blanco consiste en una
pequeña placa de tungsteno que se encuentra encastrado en
un bloque de cobre. En los
tubos de ánodo rotatorio, el disco que gira es el blanco,
normalmente esta formado por una aleación de Tungsteno
mezclada con Torio, que proporciona una resistencia
adicional para soportar el esfuerzo de la rotación
rápida.
El Tungsteno es el material elegido para
el blanco.
Equipo de rayos-X utilizado en la práctica
En la figura 3 se observa el dispositivo utilizado para la
realización de la práctica radiográfica.
Se trata de un equipo marca Philips,
cuya capacidad de tensión es 200 KV, y una
generación de corriente de 5 mA.
figura 3 – Equipo de generación de
rayos-X
Definición y origen de los
rayos gamma
Se puede definir a los rayos gamma como aquella radiación
electromagnética de altas energías asociada a la
radiactividad. Radiactividad es la desintegración
espontánea de núcleos atómicos mediante la
emisión de partículas subatómicas llamadas
partículas alfa, que sólo penetran unas
milésimas de centímetro en el aluminio y
partículas beta, que son casi 100 veces más
penetrantes. En experimentos
posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos
eléctricos y magnéticos, y estas pruebas
pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente, los
rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que
las partículas beta. En un campo
eléctrico, la trayectoria de las partículas
beta se desvía mucho hacia el polo positivo, mientras que
la de las partículas alfa lo hace en menor medida hacia el
polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto
indica que las partículas beta tienen carga negativa, las
partículas alfa tienen carga positiva (se desvían
menos porque son más pesadas que las partículas
beta) y los rayos gamma son eléctricamente
neutros.
Radiación gamma
Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la
emisión gamma. Los rayos gamma no poseen carga ni masa;
por tanto, la emisión de rayos gamma por parte de un
núcleo no conlleva cambios en su estructura,
sino simplemente la pérdida de una determinada cantidad de
energía radiante. Con la emisión de estos rayos, el
núcleo compensa el estado
inestable que sigue a los procesos alfa
y beta. La partícula alfa o beta primaria y su rayo gamma
asociado se emiten casi simultáneamente. Sin embargo, se
conocen algunos casos de emisión alfa o beta pura, es
decir, procesos alfa
o beta no acompañados de rayos gamma; también se
conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma
pura. Esta emisión gamma pura tiene lugar cuando un
isótopo existe en dos formas diferentes, los llamados
isómeros nucleares, con el mismo número
atómico y número másico pero distintas
energías. La emisión de rayos gamma acompaña
a la transición del isómero de mayor energía
a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta
isomería es el isótopo protactinio 234, que
existe en dos estados de energía diferentes, y en el que
la emisión de rayos gamma indica la transición de
uno al otro. En la figura 4 se observa la generación de
radiación gamma.
figura 3 – Generación de radiación
gamma
Indicadores de Calidad de
imagen
(I.C.I.)
Los indicadores de
calidad de
imagen
consisten en alambres o plaquetas escalonadas del mismo material
que el objeto a radiografiar, cuyos diámetros o espesores
representan por ej. el 1%, 2%, 3% del espesor máximo del
objeto, permitiendo evaluar por comparación la calidad
radiográfica.
El indicador se coloca sobre la cara del objeto que enfrenta la
radiación en la parte más alejada del film (zona de
mayor espesor) y en la posición geométricamente
más desfavorable, por ejemplo, en el extremo más
alejado respecto del punto en que la radiación incide
normalmente. El espesor del hilo o escalón más
delgado que sea visible en la radiografía, es el que
permite evaluar la calidad de la técnica
radiográfica cesada.
En el desarrollo del
ensayo se
utilizarán dos tipos de indicadores de
calidad de imagen:
INDICADORES DIN (1): De acuerdo a la norma DIN 54.109, la calidad
de imagen se caracteriza por el alambre más delgado de una
serie de alambres de diversos diámetros que varían
según la progresión geométrica adoptada por
el I.I.W. / I.I.S.. Estos van embutidos en un material plástico
transparente.
INDICADORES ASME (2): Este indicador de calidad de imagen
responde a las especificaciones de la American Society of
Mechanical Engineers. El espesor normal del indicador es igual al
2 % del espesor a radiografiar, este espesor se indica con
números de plomo cuya altura no ha de ser inferior a 3/32"
(2,4 mm.).
La disposición de los indicadores, las probetas, el chasis
con la placa radiográfica y la pantalla reforzadora de
plomo a utilizar en el ensayo se
representa en las figuras 4 y 5.
Fig. 4 – Disposición para el nsayo
radiográfico de dos probetas: engranaje y álabe de
turbina
Fig.5 – Disposición para el nsayo
radiográfico de soldadura
longitudinal
2. Desarrollo del
Ensayo
A continuación se presentan los tests llevados a
cabo en el Laboratorio de
Mediciones y Ensayos
Industriales, correspondientes al presente Informe de
Laboratorio,
durante los días 02/09/02 y 23/09/02, realizados en la
Facultad Regional Buenos Aires de
la Universidad
Tecnológica Nacional. Para efectuar los ensayos se dispone
de un equipo de radiografía industrial con las siguientes
características:
- Marca: Philips
- Capacidad de tensión: 200 KV
- Capacidad de corriente: 5 mA..
Exposición
radiográfica de las probetas
PROBETA N°1: "Pieza obtenida por pulvimetalurgia del hierro:
engranaje".
- Material utilizado:
Se dispone de:
– 1 probeta: engranaje, Ø 80 mm, no se observan
defectos superficiales a simple vista.
- 1 chasis donde se coloca la película o placa
de celuloide - 2 pantallas reforzadoras de plomo.
- Indicadores de calidad de imagen DIN
54.109 - Detector de radiación Graetz: esc. amarilla:
0-10 mr/H. esc. roja: 0-100 mr/H.
- Parámetros de ensayo:
Espesor a radiografiar: 10 mm.
Voltaje utilizado: 140 KV.
Distancia foco-pieza: 700 mm.
Intensidad de corriente: 3 mA/min
Tiempo de
exposición: 3 min.
Exposición: 9 mA.
Película utilizada: AGFA-Gevaert Structurix D7
Indicador de Calidad de Imagen: DIN 54.109, BZ observable
hasta hilo N° 12: 6 ISO
12Se coloca la pieza a radiografiar sobre el chasis,
el que a su vez dispone de dos pantallas reforzadoras de
plomo por debajo y por encima, para concentrar el efecto de
los rayos, los cuales inciden desde la parte superior donde
se encuentra la fuente o foco de emisión de
rayos-X.
Se colocan los I.C.I. sobre la probeta en las zonas de mayor
espesor, o en aquellas zonas donde la radiación no es
perpendicular a la pieza.- Realización del ensayo
- Normas empleadas
Las normas utilizadas
para la realización del presente ensayo son:
ASTM 94/93 "Guía standard de ensayos
radiográficos".
ASTM E1030 "Método
para ensayos radiográficos en materiales
metálicos fundidos".
PROBETA N°2: "Alabe de turbina".
- Material utilizado:
Se dispone de:
– 1 probeta: álabe de turbina, largo 90 mm, no se observan
defectos superficiales a simple vista.
- 1 chasis donde se coloca la película o placa
de celuloide - 2 pantallas reforzadoras de plomo.
- Indicadores de calidad de imagen DIN
54.109 - Detector de radiación Graetz: esc. amarilla:
0-10 mr/H. esc. roja: 0-100 mr/H.
- Parámetros de ensayo:
Espesor a radiografiar: 10 mm.
Voltaje utilizado: 140 KV.
Distancia foco-pieza: 700 mm.
Intensidad de corriente: 3 mA/min
Tiempo de
exposición: 3 min.
Exposición: 9 mA.
Película utilizada: AGFA-Gevaert Structurix D7
Indicador de Calidad de Imagen: DIN 54.109, BZ observable
hasta hilo N° 12: 6 ISO
12Se coloca la pieza a radiografiar junto con el
engranaje utilizado anteriormente sobre el chasis, el que a
su vez dispone de las pantallas reforzadoras de plomo por
debajo y por encima, para concentrar el efecto de los rayos,
los cuales inciden desde la parte superior donde se encuentra
la fuente o foco de emisión de rayos-X.
Se colocan los I.C.I. sobre la probeta en las zonas de mayor
espesor, o en aquellas zonas donde la radiación no es
perpendicular a la pieza.- Realización del ensayo
Las normas
utilizadas para la realización del presente ensayo
son:
ASTM 94/93 "Guía standard de ensayos
radiográficos".
ASTM E1030 "Método para ensayos
radiográficos en materiales
metálicos fundidos".
PROBETA N°3: "Placa de acero con
cordón de soldadura
X longitudinal". - Normas empleadas
- Material utilizado:
Se dispone de:
– 1 probeta: chapa de acero con
cordón de soldadura longitudinal, largo 120 mm. Tipo de
soldadura X.
- 1 chasis donde se coloca la película o placa
de celuloide - 2 pantallas reforzadoras de plomo.
- Indicadores de calidad de imagen DIN
54.109 - 1 Indicador ASME N° 25
- Detector de radiación Graetz: esc. amarilla:
0-10 mr/H. esc. roja: 0-100 mr/H.
- Parámetros de ensayo:
Espesor a radiografiar: 25 mm.( se adopta estandar
20 mm.)
Voltaje utilizado: 180 KV.
Distancia foco-pieza: 700 mm.
Intensidad de corriente: 4 mA/min
Tiempo de exposición: 7 min.
Exposición: 28 mA
Película utilizada: KODAK AA400 (gerar 7)
Indicador de Calidad de Imagen: DIN 54.109, BZ observable
hasta hilo N° 10.Se coloca la chapa a radiografiar sobre el chasis,
el que a su vez dispone de las pantallas reforzadoras de
plomo por debajo y por encima, para concentrar el efecto de
los rayos, los cuales inciden desde la parte superior donde
se encuentra la fuente o foco de emisión de
rayos-X.
Se colocan los I.C.I. sobre el cordón de soldadura y
el penetrador ASME sobre un lateral del cordón, en
dirección paralela al mismo.- Realización del ensayo
- Normas empleadas
Las normas utilizadas para la realización del
presente ensayo son:
ASTM 94/93 "Guía standard de ensayos
radiográficos".
ASTM E1030 "Método para ensayos radiográficos en
materiales
metálicos fundidos".
ASTM E142 "Control
radiográfico. Penetrador de
plaqueta ASME".
Proceso de revelado de las placas
Las tres probetas utilizadas generaron 2 placas, las cuales
fueron reveladas en conjunto siguiendo los pasos descriptos a
continuación:
- Revelado: La composición del baño es de
1/3 parte del volumen de
revelador G128 más 2/3 partes de agua. El
tiempo de revelado utilizado es de 6 minutos a
18°C. - Detenedor de revelado: La composición del
baño es de 1 litro de agua
más 30 ml. de ácido acético glacial. El
tiempo de exposición dispensado es de 30 seg., en caso
de utilizarse únicamente agua este debe ser de 2 a 3
minutos. - Fijador de la imagen: Para fijar los haluros que se
transforman en plata metálica, eliminando los haluros
sin radiación. La composición del baño es
de 4 litros de agua más 1 litro de G128. El tiempo de
exposición requerido es de 2 minutos. - Humectación: Si bien no fue llevada a cabo
esta etapa en el dearrollo del ensayo, este proceso se
utiliza para optimizar el escurrimiento de agua. - Lavado: Se utiliza para lavar los excedentes de
haluros de plata, gelatinas y ácidos.
Se dispensa un tiempo de 20 minutos a 18°C.
Resultados obtenidos en las
placas y evaluación
de las probetas
PROBETA N°1: "Pieza obtenida por pulvimetalurgia del hierro:
engranaje".
Debido a una posible sobreexposición no se observan los
I.C.I.. La pieza no presenta fisuras o discontinuidades o
detalles de rechupe evidentes sobre la placa
radiográfica.
La densidad de
película en las diversas zonas demuestra la
sobreexposición a la que fue sometida:
- Dendidad en zona de dientes del engranaje:
r 4,43. - Dendidad en zona de mayor espesor del
engranaje: r
2,62. - Densidad en zona central del engranaje:
r 4,97
La pieza es aceptada por no presentar fisuras visibles
en la placa. Se recomienda un nuevo ensayo evitando la
sobreexposición para obtener detalles más precisos
sobre el engranje.
Cálculo
de la penumbra geométrica
F: tamaño del foco o fuente = 2,5 mm
Siendo t: espesor = 10 mm.
do: distancia foco película = 700 mm+10
mm(espesor) = 710 mm.
PROBETA N°2: "Alabe de
turbina".
Esta probeta fue expuesta junto con el engranaje, por lo que se
observan también dificultades para observar los I.C.I.
atribuíble a una sobreexposición.
- Densidad de placa sobre la pieza: 2,9 –
3,31
A pesar de la sobreexposición se observa una
fisura en la zona de unión entre álabe y cuerpo,
observándose además pequeños rechupes en la
misma zona, por lo que se rechaza la pieza.
Cálculo de la penumbra
geométrica
F: tamaño del foco o fuente = 2,5 mm
Siendo t: espesor = 10 mm.
do: distancia foco película = 700 mm+10
mm(espesor) = 710 mm.
PROBETA N°3: "Placa de acero
con cordón de soldadura X longitudinal".
Se observa una raya central sobre el cordón en dirección axial a la soldadura. Esto indica
una falta de penetración total en la raíz,
distinguiéndose socavaduras.
La densidad de
película en las diversas zonas es la siguiente:
- Densidad en zona de cordón de
soldadura: r
2,07. - Densidad en zona de chapa base: r 2,95.
Se observa el alambre N° 7 que corresponde a la
serie 12 cuyo Æ
0,25 mm., y procediendo según los lineamientos de la
norma DIN54.109 se obtiene la sensibilidad de la
radiografía:
donde Ae: diámetro del menor hilo visible
e: espesor de la pieza
Respecto del penetrador según ASME 25, la placa es del
tipo 2 1 T, la cual posee una sensibilidad del 1%.
La pieza es rechazada por presentar defectos visibles en la
placa: socavaduras y falta de penetración en la
raíz del cordón.
Cálculo de la penumbra
geométrica
F: tamaño del foco o fuente = 2,5 mm
Siendo t: espesor = 25 mm.
do: distancia foco película = 700 mm+25
mm(espesor) = 725 mm.
Conclusiones sobre el método
radiográfico para detección de
discontinuidades
El ensayo no
destructivo mediante radiografía industrial por rayos X o
rayos gamma no presenta dificultades ante la mayoría de
los materiales metálicos, es apto para la detección
de fallas internas permitiendo además la
caracterización de las mismas.
Entrega un registro
permanente de la imagen obtenida, ofreciendo la posibilidad de
observar ensambles internos y la observación de piezas de espesor mayor a
los 100 mm.
Sin embargo aún en la actualidad es un ensayo
caro, no es portátil, es peligroso para el operador debido
a las radiaciones a las que puede quedar expuesto, en
comparación con otros ensayos no destructivos en los que
se utilizan partículas magnetizables.
3. Bibliografía
consultada
La bibliografía consultada responde a las
siguientes publicaciones:
- "GUÍA DE TRABAJOS PRACTICOS-ENSAYOS DE
MATERIALES", Ing. E. Alvarez e Ing.Cortez, apunte S5AP8
provisto por la Universidad
Tecnológica Nacional FRBA, 2002, Argentina. - "MANUAL DEL
INGENIERO MECANICO", vol.1, Theodore Baumeister, Eugene
Avallone y Theodore Baumeister III, editorial McGraw-Hill,
1992, México. - "ENCICLOPEDIA DE LA TECNICA Y DE LA
MECANICA", vol.7, Juan J. Wahl, editorial Nauta, 1970, Italia.
Autor:
Ezequiel Romero.
Datos
personales: 26 años – estudiante de 4° año de
Ingeniería Mecánica "Universidad Tecnológica
Nacional – Fac. Regional Buenos
Aires".
Ocupación: Responsable de Validaciones perteneciente a la
Gcia. de Garantía de Calidad – Laboratorios ROEMMERS.
Tamaño de archivo [zip]:
1,03 Mb.
Categoría: Materiales – Física – Tecnología.
Palabras clave: Ensayos no destructivos – Materiales
metálicos – Radiografía industrial –
Gammagrafía industrial.