Transcript tofd (teoria)

TOFD
Time of Flight Diffraction
¨Tiempo de Vuelo de la Onda
Difractada¨
By: Nick Bublitz
Traduccion: Carlos Correia
Diffraccion
Basada en el principio de Huygens
La onda incide en el
defecto.
En cada punto de la
superficie del defecto
se genera una nueva
onda esferica
2
Ondas
Onda incidente
Onda Difractada
Toda direccion
Onda
Reflejada
DISCONT.
Onda Difractada
3
Baja energia
Independiente
del angulo del
defecto
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.
4
Frentes de Onda ToFD
Apertura del haz en el material
Apertura del haz en la zapata
Punto de salida
60 deg
Longitud de onda de corte = ½ Long
Centro del haz
Ondas de corte
5
Apertura del haz
u
u
u
u
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.
6
7
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
u
u
u
u
2 MHz- 29.4-90 grados
3 MHz- 38.3-90 grados
4 MHz- 43-90 grados
5 MHz- 45.9-90 grados
9
Modos de onda
u
u
u
u
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
BW
Modo convertido bw
Volumen del material
Zona de modo convertido
11
A-Scan
Transmisor
Receptor
Onda Lateral
Eco de fondo
BW
LW
Extremo Sup.
12
Extremo Inf.
Onda Lateral
u
u
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.
13
Eco de fondo
u
u
Combination de energia reflejada y
difractada.
Señal de elevada amplitud
14
Modo Convertido
u
u
u
u
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.
15
Porque trabajar en modo RF?
u
u
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 grieta
1. 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.
17
Visualizacion de la data
LW
A-scan
D-scan
Upper
surface
18
BW
Back wall
Porque se utiliza una escala de grises?
u
u
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.
19
Visualizacion de la data
Amplitud
+
White
Tiempo
-
Black
Tiempo
One A-scan picture is replaced by one gray-coded line
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Paso a tonos de gris
21
Barridos tipicos TOFD
u
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 SDH
Entalla
23
Vista D-scan (Omniscan=B-scan)
Vista
24
No-Paralelo
25
Barrido No-paralelo
u
u
u
u
u
u
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.
26
Barrido paralelo
Discontinuidad en la superficie de acople
27
Barridos paralelos
u
u
u
u
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)
28
Presentacion-B-scan
Eje de barrido
Vista
29
Otros tipos de barrido
Doble Paso- utilizado cuando es dificil
detectar y discriminar los defectos cercanos
a la superficie de acoplamiento.
30
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
32
TOFD Ventanjas








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
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TOFD Limitaciones
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.
34
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
35
Posicionamiento Lateral
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Incertidumbre en la posicion del defecto
S
S
Receiver
Transmitter
dmin dmax
t1
t2
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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Discontinuidades no detectadas.
Zona de baja Isonificacion
No detectad
obscurecida
el eco de fon
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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.
.
Total Time S to R
.99
haz 1=50.99us
2.85
haz 2= 53.85us
4.45
haz 3= 58.3us
5.73
haz 4= 64.03us
S
Tiempo de LW 50us
1
2
R
Profundidad en tiempo
5 us
10 us
3
15 us
20us
4
39
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.
40
Resol. En funcion de la profundidad
A medida que aumenta la
profundidad disminuye el
error.
41
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.
42
Solucion recomendada : PV-100
PE 45 SW
TOFD
PE 60 SW
El sistema permite adquisicion
simultanea y analisis (solo en bajo control
de TOMOVIEW) de TOFD y PE
43
PV100-Tomoview
44
PV-100
45
Multiple Tofd
46
Scanner/Arreglo Requerimientos
Absolutos1.
Buen contacto con la superficie
2.
Control absoluto del PCS
3.
Garantizar desplazamiento recto
Recomendaciones
1.
Ruedas magneticas para sistemas ferrosos.
2.
Preamplificador
3.
Suministro de acoplante
4.
Reglas vernier para ajustar el PCS
5.
Zapatas ajustables a superficies curvas
6.
Sistema de cable umbilical
7.
Transductores y zapatas soportados individualmente con
maximo grado de libertad
8.
Guias laser u otras
47
Par simple de TOFD
48
Sistemas multiples TOFD - PE
49
Tofd y Phased Array
50
Acoplante Consideraciones
Agua es uno de los mejores
Suministro constante permite aplicacion
homogenea que rellena irregularidades
superficiales. IHC (irrigation, holes,
carbides)
51
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
52
Analisis
1.
2.
3.
4.
Caracterizacion clasicaUbicacion: Posicion en el eje de barrido
longitud
Profundidad y altura
tipo- superficial/conectada al DI,
abierta/embebida
53
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
55
Parabolic Cursors
Para 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.
.
56
Cursores Parabolicos
Para 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 Parabolicos
Utilizando 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.
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Defectos tipicos. Barridos No
Paralelos
Grieta abierta a la superficie de acople
Grieta conectada a la superficie de fondo
Defecto horizontal planar
TOFD Defectos Tipicos
Defecto Horizontal Planar
(Falta de fusion entre pases, Laminaciones)
Receiver
Transmitter
Onda Lateral
Señal reflejada
Eco de fondo
BW
LW
Eco reflejado
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Upper Surface Breaking Crack
Transmitter
Onda Lateral Bloqueada
Receiver
Eco de fondo
EF
Desaparece la OL Extremo de la grieta
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Back Wall Surface Breaking Crack
Receiver
Transmitter
Onda Lateral
Eco de fondo
OL
Ausencia
Eco de
Extremo del defecto fondo (no
siempre!)
65
Grieta cercana a la sup. acople
1
2
2
1
La grieta bloquea la Onda Lateral y el tip inferior se observa
en el A-scan
66
Penetracion inadecuada en la raiz
1
2
3
4
1
2
4 2
1 3
Se observan claramente las dos señales de los
extremos del defecto
67
Falta de Penetracion
1
1
2
3
2
3
Fase invertida con respecto a la onda lateral
68
Falta de fusion en un bisel
1
1
2
2
3
3
4
4
Se observan las dos señales de los dos extremos
69
Porosidad
1
1
2
2
3
Porosidad puede presentarse en forma
individual o en clusters.
70
Grieta Transversal
1
1
2
1
2
3
2
4
3
3
En la onda lateral podemos observar el efecto del ancho
del haz en una grieta transversal.
71
Concavidad en la raiz
1
1
2
2
3
3
Distorsion del eco de fondo
72
Falta de fusion entre pases
1
2
3
73