Inspección ultrasónica de cordones de soldadura en puentes grúa

Las grietas por fatiga en los cordones de soldadura de la estructura de acero del puente grúa son la causa principal del fallo estructural en aparatos de elevación. Los cordones de soldadura críticos, como las uniones de la Viga Principal, las conexiones entre el Testero y la Viga Principal, y las soldaduras de la Estructura del carro, soportan cargas cíclicas de forma continua; la iniciación y propagación de microgrietas suele ocurrir de manera invisible en el interior de la estructura de acero. El ensayo ultrasónico manual tradicional con sondas de cristal único presenta baja eficiencia (aproximadamente 30 minutos por cordón), la localización de defectos depende de la experiencia del operador y no permite archivar datos de imagen. El sistema KL-WELD-PAUT emplea tecnología de ensayo ultrasónico con arreglo en fase (PAUT) de 64 elementos, y el grado de inspección y los criterios de evaluación de los cordones de soldadura se basan en la norma GB/T 11345-2023 y en los requisitos de calidad para cordones de soldadura portantes establecidos en la norma ISO 4301 / FEM 1.001 «Reglas para el diseño de aparatos de elevación». Combinado con el método TOFD y un modelo de clasificación de defectos por IA, el sistema permite obtener imágenes rápidas, cuantificación precisa e identificación del tipo de defectos en las soldaduras. La inspección de un cordón individual requiere solo de 5 a 8 minutos, con una precisión de ±1mm en la cuantificación de la altura de grietas y una tasa de precisión del 92% en la clasificación de defectos.

Principio del ensayo ultrasónico por arreglo en fase y composición del sistema

El núcleo del sistema KL-WELD-PAUT de Kelude Industrias Pesadas es una sonda de arreglo en fase de 64 elementos (frecuencia central de 5MHz, separación entre elementos de 0,6mm, apertura total de 38,4mm), junto con una tarjeta de emisión/recepción ultrasónica multicanal (64:64 en paralelo, voltaje de emisión ajustable de 50 a 200V, ganancia de 0 a 80dB). La tecnología de arreglo en fase logra el enfoque electrónico y la deflexión del haz mediante el control de los tiempos de retardo de emisión de cada elemento: las leyes de enfoque calculan la superposición en fase de las ondas de todos los elementos a la profundidad objetivo, con un tamaño de foco de aproximadamente 1,2mm (a una profundidad de 40mm), lo que proporciona una resolución lateral muy superior a la de las sondas de cristal único. Durante la inspección, la sonda se desplaza linealmente a lo largo del cordón de soldadura con disparo por Encoder, con un paso de 0,5mm y una cobertura de ancho de 35mm por pasada.

El sistema admite tres modos de barrido:

Barrido sectorial (S-scan) — rango de ángulo de −45° a +45°, paso de 1°, adecuado para soldadura de filete y Juntas en T;

Barrido lineal electrónico (E-scan) — desplazamiento electrónico lineal, longitud de 35mm, adecuado para Soldadura a Tope;

Barrido con enfoque focal (Focal Law) — enfoque individual por profundidad, adecuado para cordones en chapas delgadas de hasta 20mm.

Los datos adquiridos se visualizan en tiempo real en formato de imagen de barrido sectorial, con 2.048 puntos de datos de A-scan por cuadro. Al finalizar el barrido, se generan automáticamente tres proyecciones ortogonales: vista superior (C-scan), vista lateral (B-scan) y vista frontal (D-scan). Los datos del barrido completo del cordón se guardan en formato estándar DICONDE, lo que permite el análisis fuera de línea y la comparación histórica.

Método de evaluación cuantitativa de grietas

La cuantificación precisa de la altura de las grietas se realiza mediante el método TOFD (Time of Flight Diffraction). Cuando la onda ultrasónica incide en la punta de la grieta, se genera una onda difractada en lugar de una onda reflejada; la trayectoria de propagación de la onda difractada es: sonda emisora — punta de la grieta — sonda receptora. Midiendo con precisión el tiempo de propagación t de la onda difractada, y considerando la separación entre centros de las sondas 2S y la velocidad del sonido c, se calcula la profundidad de la punta de la grieta mediante d=√[(ct/2)²−S²]. La diferencia de tiempo entre las ondas difractadas de la punta superior y la punta inferior corresponde directamente a la altura de la grieta h. El sistema KL-WELD-PAUT incorpora un algoritmo TOFD automático que identifica las señales de difracción de las puntas superior e inferior en la imagen de barrido sectorial, con una precisión de medición de altura de grieta de ±1mm (en el rango de espesores de 10 a 50mm).

La longitud de la grieta se determina mediante el método de caída de 6dB: la sonda se desplaza a lo largo del cordón de soldadura y, cuando la amplitud del eco reflejado desde el extremo de la grieta disminuye a la mitad de la amplitud máxima (−6dB), se registra la posición de la sonda — la distancia entre las dos posiciones de −6dB (izquierda y derecha) corresponde a la longitud de la grieta. Para la localización de defectos múltiples en profundidad, el sistema utiliza la información de distancia de recorrido y ángulo en la imagen B-scan, combinada con conversiones trigonométricas, para calcular las coordenadas precisas del defecto en la sección transversal del cordón (profundidad desde la superficie d y desplazamiento desde el centro del cordón x). Todos los resultados de medición se anotan automáticamente en las imágenes B-scan y C-scan, generando el informe de Inspección de Soldadura. La norma de referencia es la GB/T 11345-2023 «Ensayo no destructivo de soldaduras — Ensayo ultrasónico — Técnicas, grados de inspección y evaluación».

Clasificación de defectos por IA y validación en campo

El sistema incorpora un modelo CNN de clasificación de defectos cuya entrada es el mapa tiempo-frecuencia de 128×128 píxeles de la imagen de exploración S, y cuya salida es la probabilidad de seis tipos de defecto: grieta, falta de fusión, falta de penetración, porosidad, inclusión de escoria y mordedura. El modelo se entrenó con 3.800 conjuntos de datos calibrados verificados mediante TOFD y metalografía, alcanzando una precisión de clasificación del 92,3 %. La tasa de recall (detección) para grietas alcanza el 95,1 %, con una tasa de falsas alarmas del 4,8 %. El sistema marca automáticamente los defectos de alto riesgo y señala sus coordenadas en la proyección tridimensional.

En la inspección de la soldadura a tope de la viga principal de un puente grúa de 32 t en un astillero, el sistema detectó dos faltas de fusión en la raíz, de 8 mm y 14 mm de longitud (a 18 mm y 22 mm de profundidad). La verificación mediante UT y el amolado local confirmaron una desviación dimensional inferior a 1,5 mm. Este caso valida la fiabilidad del sistema PAUT+IA en aplicaciones de ingeniería reales. Durante los 12 meses posteriores de uso continuado, el sistema inspeccionó un total de 486 cordones de soldadura y detectó 37 defectos (9 grietas, 14 faltas de fusión, 8 porosidades y 6 inclusiones de escoria), con una concordancia del 94,6 % frente a la verificación destructiva. En comparación con el muestreo UT convencional, la tasa de detección de defectos de PAUT+IA aumentó del 78 % al 96 %, mientras que la tasa de omisión se redujo del 22 % al 4 %, disminuyendo significativamente el riesgo de fallo de las soldaduras.

Aplicaciones de inspección y casos de obra

El sistema KL-WELD-PAUT está diseñado para la inspección en línea de soldaduras portantes en puentes grúa, cubriendo escenarios típicos como soldaduras a tope en la viga principal (espesor de chapa 10~50 mm), soldaduras de filete en T entre testero y viga principal (garganta 6~16 mm), soldaduras de unión en la estructura del carro y soldaduras de las placas de sujeción del carril. Según el espesor de chapa y el tipo de unión, el sistema ajusta automáticamente la configuración de la sonda y los parámetros del proceso: para espesores de 10~20 mm se emplea una sonda de 5 MHz con 64 elementos combinada con barrido TOFD; para 20~40 mm, una sonda de 4 MHz con 64 elementos y barrido sectorial de −60° a +60°; para 40~50 mm se requiere un barrido doble por ambas caras o una sonda de baja frecuencia de 2,5 MHz.

En la inspección anual de las soldaduras de la viga principal de una grúa de pórtico de 40 t en un puerto, el sistema completó el barrido PAUT y el análisis IA de 32 cordones (48 m en total) en 12 horas, detectando 7 defectos (2 grietas, 3 faltas de fusión y 2 porosidades). La verificación mediante UT y amolado local confirmó una desviación en la cuantificación de grietas de 0,8 mm y 1,1 mm (dentro de la tolerancia de ±1,5 mm exigida en proyecto), con una precisión del 100 % en la clasificación de defectos. El departamento de mantenimiento del puerto valoró que la solución PAUT+IA redujo el ciclo de inspección anual de soldaduras de 5 días a 1,5 días, y que el archivo digital permite una gestión trazable del estado de salud de las soldaduras. El servicio de inspección de soldaduras de Kelude Industrias Pesadas se ha implantado en 12 acerías, 8 puertos y 6 empresas manufactureras, acumulando más de 2.800 cordones inspeccionados.

Comparativa de tecnologías de detección

Preguntas frecuentes sobre inspección de soldadura