TOFDTime of Flight Diffraction¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨

By: Nick BublitzTraduccion: Carlos Correia

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Diffraccion

En cada punto de la superficie del defecto se genera una nueva onda esferica

La onda incide en el defecto.

Basada en el principio de Huygens

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Ondas

DISCONT.

Onda Difractada

Onda Difractada

Onda incidente

Onda Reflejada

Toda direccion

Baja energia

Independiente del angulo del defecto

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Diffraccion

– Modificacion o defleccion del haz sonico– Onda incidente crea nuevo frente de onda– Extremos del defectos son nuevos emisores– No relacionado con la orientacion del defecto– Señales debiles – requieren amplif. (preamp en el

receptor)– Defectos planos ¨afilados¨ son mejores emisores– Las señales de los extremos son ubicadas con facilidad. – Tiempo de vuelo desde los extremos del defecto

utilizados para dimensionar.– Haz ancho longitudinal.

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Frentes de Onda ToFD

Punto de salida60 deg

Apertura del haz en la zapata

Apertura del haz en el material

Centro del haz

Ondas de corte

Longitud de onda de corte = ½ Long

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Apertura del haz Teoria convencional solo contempla la frecuencia

central del transductor. Dado que la emision es un pulso, el transductor

emite un rango de frecuencias en vez de una sola = ancho de banda (bandwidth).

La apertura del haz puede ser recalculada utilizando los valores inferiores de frecuencia

La presencia de una onda lateral a partir de 45 grados en adelante, tiene sentido considerando la apertura generada por las componentes de baja frecuencia.

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8

Ejemplos Zapata de 60 Grados (2.7mm/us), 6mm crystal @ 5 MHz

Angulo de incidencia en la zapatata 23.3 grados. Aperturas:

2MHz +/- 10.3 deg. (13-33.6deg)

3 MHz +/- 6.8 deg. (16.5-30.1 deg)

4 MHz +/- 5.1 deg. (18.2-28.4 deg)

5 MHz +/- 4.1 deg. (19.2-27.1 deg)

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Apertura del haz en el material / refractado 60 grados

2 MHz- 29.4-90 grados 3 MHz- 38.3-90 grados 4 MHz- 43-90 grados 5 MHz- 45.9-90 grados

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Modos de onda Un sector de las ondas viaja

completamente como ondas de compresion.

Otras viajan inicialmente como ondas de compresion y luego experimentan conversion de modo a ondas de corte.

Algunas viajan toda la trayectoria como ondas de corte.

Utilizamos ondas longitudinales porque estas viajan al doble de las ondas de corte. Pocas veces se utiliza la informacion proveniente de la region del modo convertido para hacer mediciones, pero si para detectar.

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Presentacion en Pantalla

LW

Volumen del material

BW

Zona de modo convertido

Modo convertido bw

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A-ScanTransmisor Receptor

Onda Lateral

LW

Extremo Sup. Extremo Inf.

Eco de fondo

BW

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Onda Lateral La onda lateral viaja a velocidad longitudinal

y es siempre la primera en llegar. Para superficies curvas viaja en linea recta entre los dos trasductores. No es una onda superficial, es un lobulo lateral de la onda longitudinal.

El contenido de frecuencia de la LW es menor. El aumento del PCS produce una perdida pronunciada de la amplitud.

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Eco de fondo

Combination de energia reflejada y difractada.

Señal de elevada amplitud

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Modo Convertido

Ocurre luego del Eco de fondo, por la menor velocidad de las ondas de corte.

Señales de alta amplitud No es utilizado para mediciones. En ocaciones los defectos cercanos a la superficie

se pueden observar mejor en esta zona dado la mayor resolucion espacial.

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Porque trabajar en modo RF?

Evaluar los cambios de fase Una onda que viaja en un medio de alta

impedancia acustica experimenta un cambio de fase de 180 grados, cuando es reflejada por una interfase de baja impedancia acustica (acero/aire).

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Difraccion en los extremos de grieta1. Si la onda empieza en un ciclo positivo

e incide en un defecto, la onda difractada por el extremo superior del defecto, actua como si hubiera sido reflejada por la superficie de fondo. Presenta un cambio de fase de 180 grados.

2. La onda que proviene del extremo inferior del defecto, actua como si lo bordeara sin experimentar un cambio de fase y se mantiene positivo.La escoria y la porosidad son generalmente muy delgados para producir dos señales separadas.

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Visualizacion de la data

D-scan

Uppersurface

Back wall

A-scanLW

BW

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Porque se utiliza una escala de grises? En las tecnicas basadas en pulso eco, se utilizan

escalas a color (Cscan, Bscan, UTPA) basadas en la amplitud de la señal, siendo el rojo el color asociado a la maxima amplitud, dado que es el color donde el cerebro centra su atencion.

Dado que TOFD no esta basada en amplitud sino en tiempo de vuelo, se requiere prescindir nuestra preferencia por el color y analizar la informacion en tonos de gris.

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Visualizacion de la data

White+

Black-

Amplitud

Tiempo

Tiempo

One A-scan picture is replaced by one gray-coded line

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Paso a tonos de gris

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Barridos tipicos TOFD Se utilizan 2 barridos

tipicos– Nonparallel:

NOPARALELO los barridos son perpendiculares a la direccion del haz ultrasonico.

– Parallel: PARALELO el barrido es paralelo a la direccion del haz ultrasonico.

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Barrido No-paralelo

Orificio SDHEntalla

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Vista D-scan (Omniscan=B-scan)

VistaEje de barrid

o

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No-Paralelo

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Barrido No-paralelo Ubicar discontinuidades Estimar la profundidad de la discont. Longitud en el eje de Existe un cierto valor de error en la

medicion de la altura del defecto. Rapida, facil de emplear, no requiere

eliminar la corona. Los transductores estan centrados con

respecto al area de interes.

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Barrido paralelo

Discontinuidad en la superficie de acople

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Barridos paralelos Preciso para determinar la

profundad del defecto Se asegura el ancho de la

discontinuidad Inclinacion (aprox.) La amplitud de la señal es

maxima cuando el defecto esta en el centro de los transductores (la distancia mas corta)

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Presentacion-B-scan

Vista

Eje de barrido

30

Otros tipos de barrido Doble Paso- utilizado cuando es dificil

detectar y discriminar los defectos cercanos a la superficie de acoplamiento.

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Otros tipos de Barrido Non-paralelos excentricos Utilizado si se sospecha que una

discontinuidad se encuentra mas cerca de uno de los transductores y cercana a la superficie, la señal de la onda lateral y la señal de la discontinuidad esta muy cerca una de otra lo que produce una baja resolucion.

La resolucion puede ser mejorada realizando barridos excentricos. Los errores en la profunidad del defecto aumentan dependidendo de la posicion de la discontinuidad.

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Otros tipos de barrido Barridos manuales sin encoder Utilizados solo para detectar no para

dimensionar Aspectos limitantes:

Intervalo de muestreo no es constante -

Hay que marcar los intervalos sobre la superficie y trabajar en equipo. En el mejor de los casos la precision puede estar +/- 5mm

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Imagen permanente B-scan Vista Lateral Alta precision de dimensionamiento, altura del defecto,

ligamento superior, ligamento inferior, etc. Aspecto critico para mecanica de la fractura.

Tecnica permite barridos rapidos Deteccion es casi independiente de la orientacion del defecto Basasa en Tiempo de Vuelo. Elimina los errores basados en

amplitud. TOFD puede dimensionar en altura con una precision de ±1

mm y ±0.3 mm en longitud. Calibracion independiente de la configuracion del defecto Amplia cobertura

TOFD Ventanjas

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Zonas de baja deteccion :– Superficie cercana Ancho de la onda lateral enmascara defectos en la

zona. Puede mejorarse reduciendo el PCS, aumentando la frecuencia, utilizando sensores fuertemente amortiguados, y mediante herramientas de software (remocion de la onda lateral).

– Eco de fondo Señal de alta amplitud, reflejada por el eco de fondo. Las discontinuidades pequenas conectadas o cerca del fondo pueden no ser

detectadas, este efecto puede ser mejorado aumentando el PCS y haciendo barridos excentricos.

No es facil clasificar el tipo de defecto en todas las situaciones Flaw classification limitation (some cases)-no simple amplitude criteria

Tecnica afectada por el ruido de grano Se requiere considerable entrenamiento Dificil ubicar bien el defecto en 3 dimensiones (los barridos paralelos pueden

ayudar, se puede usar pulso eco complementario). Indicaciones en el metal base pueden confundirse con indicaciones en la

soldadura.

TOFD Limitaciones

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Existe un conjunto de puntos que dan los mismos valores temporales

Estos puntos equi-temporales, estan ubicados sobre una elipse cuyos focos estan en los puntos de salida de cada sensor

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Posicionamiento Lateral

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Incertidumbre en la posicion del defecto

Transmitter ReceiverS S

t2t1

dmin dmax

En la practica:Maximo error en profundidad absoluta por debajo de 10%.Error en el dimensionamiento de la altura de pequeños defectos es despreciable. Cuidado con defectos pequeños cerca del eco de fondo

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No detectada u obscurecida por el eco de fondo.

Discontinuidades no detectadas. Zona de baja Isonificacion

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No linealidad en la Profundidad Un incremento constante de 5us en profundidad (expresado en tiempo), podemos

observer que el tiempo de transito desde el emisor al receptor, no esta espaciado de forma equidistante.

Esto causa una distorsión en la forma en que se presenta la imagen. Las indicaciones parecen estar mucho mas cerca de la superficie de lo que están en realidad. Calibraciones para determinar la profundidad real de la discontinuidad son muy importantes.

.

Tiempo de LW 50us

1

2

3

4

Total Time S to R.99haz 1=50.99us2.85haz 2= 53.85us4.45haz 3= 58.3us5.73haz 4= 64.03us

S R Profundidad en tiempo

5 us

10 us

15 us20us

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Profundidad –Distorsion Visual

La falta de fusion esta casi en la mitad de la pieza (0.4 in) en una plancha de 1 inch, pero parece estar mas cerca de la superficie.

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A medida que aumenta la profundidad disminuye el error.

Resol. En funcion de la profundidad

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Solucion recomendada

TOFD: SI No olvidar las ventajas del PULSO ECO

convencional SOLUCION: Hacer las dos cosas

simultaneamente TOFD y PE, reduciendo la velocidad de la inspeccion.

Se pueden agregar canales de Pulso Eco para acceder a la raiz y a la corona de la soldadura.

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Solucion recomendada : PV-100

El sistema permite adquisicion simultanea y analisis (solo en bajo control

de TOMOVIEW) de TOFD y PE

TOFDPE 45 SW PE 60 SW

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PV100-Tomoview

45

PV-100

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Multiple Tofd

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Scanner/Arreglo Requerimientos Absolutos-1. Buen contacto con la superficie2. Control absoluto del PCS3. Garantizar desplazamiento rectoRecomendaciones1. Ruedas magneticas para sistemas ferrosos.2. Preamplificador3. Suministro de acoplante4. Reglas vernier para ajustar el PCS5. Zapatas ajustables a superficies curvas6. Sistema de cable umbilical7. Transductores y zapatas soportados individualmente con

maximo grado de libertad8. Guias laser u otras

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Par simple de TOFD

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Sistemas multiples TOFD - PE

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Tofd y Phased Array

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Acoplante Consideraciones Agua es uno de los mejores Suministro constante permite aplicacion

homogenea que rellena irregularidades superficiales. IHC (irrigation, holes, carbides)

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Wedge Considerations Prevenir desgaste, pines de carburo muy

utiles en la parte inferior de la zapata (espaciamiento en el acople)

tipico- 0.2mm Espaciamientos de ¼ y ½ longitud de onda

deben ser evitados para evitar interferencia

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Analisis Caracterizacion clasica-

1. Ubicacion: Posicion en el eje de barrido

2. longitud

3. Profundidad y altura

4. tipo- superficial/conectada al DI, abierta/embebida

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Forma del defecto Dada la forma del haz

muchos defectos se observan curvados.

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Discontinuidades paralelas a la Superficie El tiempo de vuelo cuando

las discontinuidades son paralelas a la superficie, presenta un minimo cuando las probetas están directamente encima de la discontinuidad. Las discontinuidades presentan una morfología parabolica en la imagen dada su relación espacial con el transductor y el haz sónico.

Flaw

diff. signals

signal

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Parabolic CursorsPara dimensionar el defecto evitando el sobredimensionamiento producido por el haz, se suelen utilizar cursors parabolicos. Luego de efectuar la calibración estos pueden ajustarse a los extremos del defecto para dimensionar las indicaciones en pantalla, reduciendo el efecto de la apertura del haz..

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Cursores ParabolicosPara determinar la longitud de del defecto se ajusta la curvatura de los cursores a la curvatura de los extremos de la indicación en pantalla, de esta manera se contrarrestan los efectos de la apertura del haz.

Posicion del cursor de ref, en el eje de barrido al inicio de la discontinuidad.

dist. Entre los dos cursores en el eje de barrido

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Cursores ParabolicosUtilizando la informacion de fase en la señal RF el cursor puede ser posicionado en el punto de mayor amplitud de la indicación. Para determinar su longitud y altura.

Posicion del cursor de ref. en eje temporal (hasta la parte mas alta de la indicacion).

Distancia entre los dos cursores en el eje UT.

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Defectos abiertos a la superficie Dado que solo se

observa uno de los extremos de la indicacion, el eco de fondo o la onda lateral puede ser utilizada como referencia.

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Cursores Parabolicos Las indicaciones que se ajustan muy bien a

los cursores parabolicos son poros con una longitud practicamente despreciable. Son por lo general poros o bordes de grano.

Defectos tipicos. Barridos No Paralelos

Grieta abierta a la superficie de acopleGrieta conectada a la superficie de fondo

Defecto horizontal planar

TOFD Defectos Tipicos

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Defecto Horizontal Planar(Falta de fusion entre pases, Laminaciones)

Transmitter ReceiverOnda Lateral

LW

Eco de fondo

BW

Eco reflejado

Señal reflejada

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Upper Surface Breaking CrackTransmitter Receiver

Extremo de la grieta

Eco de fondo

EF

Onda Lateral Bloqueada

Desaparece la OL

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Back Wall Surface Breaking CrackTransmitter Receiver

Onda Lateral

OL

Extremo del defecto

Eco de fondo

Ausencia Eco de

fondo (no siempre!)

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Grieta cercana a la sup. acople

La grieta bloquea la Onda Lateral y el tip inferior se observa en el A-scan

21

1

2

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Penetracion inadecuada en la raiz

21Se observan claramente las dos señales de

los extremos del defecto

12

3

4

1 2 3 4

68

Falta de Penetracion

Fase invertida con respecto a la onda lateral

1

2

3

1

23

69

Falta de fusion en un bisel

Se observan las dos señales de los dos extremos

1

2

3

4

1

2

3

4

70

Porosidad

Porosidad puede presentarse en forma individual o en clusters.

12

3

1

2

71

Grieta Transversal

En la onda lateral podemos observar el efecto del ancho del haz en una grieta transversal.

1

2

3

4

1

2

3

1

2

3

72

Concavidad en la raiz

Distorsion del eco de fondo

1

23

1

2

3

73

Falta de fusion entre pases

1

2

3