TOFD Time of Flight Diffraction ¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨ By: Nick Bublitz Traduccion: Carlos Correia

Diffraccion La onda incide en el defecto. 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

Ondas Onda incidente Onda Difractada Toda direccion Baja energia Independiente del angulo del defecto Onda Reflejada DISCONT. Onda Difractada

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.

Frentes de Onda ToFD Longitud de onda de corte = ½ Long Apertura del haz en el material Apertura del haz en la zapata 60 deg Punto de salida Longitud de onda de corte = ½ Long Centro del haz Ondas de corte

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.

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)

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

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.

Presentacion en Pantalla LW BW Modo convertido bw Zona de modo convertido Volumen del material

A-Scan Onda Lateral LW Extremo Sup. Eco de fondo BW Extremo Inf. Transmisor Receptor Onda Lateral LW Extremo Sup. Eco de fondo BW Extremo Inf.

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.

Eco de fondo Combination de energia reflejada y difractada. Señal de elevada amplitud

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.

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).

Difraccion en los extremos de grieta 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.

Visualizacion de la data A-scan LW BW D-scan Upper surface Back wall

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.

Visualizacion de la data Amplitud White + Tiempo Black - Tiempo One A-scan picture is replaced by one gray-coded line

Paso a tonos de gris

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.

Barrido No-paralelo Entalla Orificio SDH

Vista D-scan (Omniscan=B-scan) Eje de barrido

No-Paralelo

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.

Barrido paralelo Discontinuidad en la superficie de acople

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)

Presentacion-B-scan Vista Eje de barrido

Otros tipos de barrido Doble Paso- utilizado cuando es dificil detectar y discriminar los defectos cercanos a la superficie de acoplamiento.

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.

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

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

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.

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

Posicionamiento Lateral

Incertidumbre en la posicion del defecto Transmitter Receiver dmin dmax t1 t2 In practice however, the maximum error that will ocur on the absolute depth measurement will be limited. Due to the beam spread limitations of the probe the examined zone is limited and the maximum error in this zone will never be higher than about 10 %. The defect height estimation on the other hand will still be accurate since the height is calculated on the basis of two depth measurements.The absolute errors on the depth measurement are almost canceled by this process. A problem can arise for small defects situated at the back-wall. Due to the explained phenomenon they can appear deeper then they really are and thus become lost in the back-wall signal. This is one of the major problems of longitudinal scans and explains the need for tranverse scans, which will be explained later on. But, since the defect is initially not detected, the complete weld should be scanned transversally. And this annulates of course one of the major advantages of the TOFD technique, which is a high inspection speed. However, we will see later that a combination of the TOFD technique with the standard pulse-echo technique can efficiently resolve this, and other shortcommings of TOFD. 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

Discontinuidades no detectadas. Zona de baja Isonificacion No detectada u obscurecida por el eco de fondo.

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 .99 haz 1=50.99us 2.85 haz 2= 53.85us 4.45 haz 3= 58.3us 5.73 haz 4= 64.03us S R Profundidad en tiempo 5 us 10 us 15 us 20us

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.

Resol. En funcion de la profundidad A medida que aumenta la profundidad disminuye el error.

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.

Solucion recomendada : PV-100 TOFD PE 45 SW PE 60 SW El sistema permite adquisicion simultanea y analisis (solo en bajo control de TOMOVIEW) de TOFD y PE

PV100-Tomoview

PV-100

Multiple Tofd

Scanner/Arreglo Requerimientos Absolutos- Buen contacto con la superficie Control absoluto del PCS Garantizar desplazamiento recto Recomendaciones Ruedas magneticas para sistemas ferrosos. Preamplificador Suministro de acoplante Reglas vernier para ajustar el PCS Zapatas ajustables a superficies curvas Sistema de cable umbilical Transductores y zapatas soportados individualmente con maximo grado de libertad Guias laser u otras

Par simple de TOFD

Sistemas multiples TOFD - PE

Tofd y Phased Array

Acoplante Consideraciones Agua es uno de los mejores Suministro constante permite aplicacion homogenea que rellena irregularidades superficiales. IHC (irrigation, holes, carbides)

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

Analisis Caracterizacion clasica- Ubicacion: Posicion en el eje de barrido longitud Profundidad y altura tipo- superficial/conectada al DI, abierta/embebida

Forma del defecto Dada la forma del haz muchos defectos se observan curvados.

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

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. .

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

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.

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.

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 acople Grieta conectada a la superficie de fondo Defecto horizontal planar

TOFD Defectos Tipicos

Defecto Horizontal Planar (Falta de fusion entre pases, Laminaciones) Transmitter Receiver Onda Lateral LW Eco reflejado Señal reflejada Eco de fondo BW

Upper Surface Breaking Crack Transmitter Onda Lateral Bloqueada Receiver Extremo de la grieta Eco de fondo EF Desaparece la OL

Back Wall Surface Breaking Crack Transmitter Receiver Onda Lateral OL Eco de fondo Ausencia Eco de fondo (no siempre!) Extremo del defecto

Grieta cercana a la sup. acople 1 2 La grieta bloquea la Onda Lateral y el tip inferior se observa en el A-scan

Penetracion inadecuada en la raiz 1 2 3 4 1 2 Se observan claramente las dos señales de los extremos del defecto

Fase invertida con respecto a la onda lateral Falta de Penetracion 1 2 3 Fase invertida con respecto a la onda lateral

Falta de fusion en un bisel 1 2 3 4 Se observan las dos señales de los dos extremos

Porosidad 1 2 Porosidad puede presentarse en forma individual o en clusters.

Grieta Transversal 1 1 2 2 3 4 3 En la onda lateral podemos observar el efecto del ancho del haz en una grieta transversal.

Concavidad en la raiz 1 2 3 Distorsion del eco de fondo

Falta de fusion entre pases