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Técnica Ultrasónica TOFD(Difracción de Tiempo de Vuelo)

Llog, s.a. de c.v.

Departamento de Desarrollo

Noviembre de 2004

Técnica Ultrasónica

TOFD

(Difracción de Tiempo de Vuelo)

Técnica Ultrasónica

TOFD

(Difracción de Tiempo de Vuelo)




Llog, s.a. de c.v.


Noviembre de 2004

Técnica ultrasónica TOFDTécnica ultrasónica TOFD

• El fenómeno de difracción

• Uso convencional de la difracción

• Principios de TOFD

• Implementación práctica

• Códigos y normas

• Ventajas y limitaciones de la técnica TOFD

• Soluciones




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Noviembre de 2004

El fenómeno de difracciónEl fenómeno de difracción

Onda incidente

Onda refractada

Ondas difractadas

Discontinuidad

En todas direcciones

De baja energíaDependientes delángulo de incidencia

Ondas difractadas




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El fenómeno de difracciónEl fenómeno de difracción

• El Principio de Huygen:

La onda entrante hacevibrar al defecto

Cada punto del defectogenera nuevas ondasesféricas elementales




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Resumen de difracciónResumen de difracción

• Onda incidente onda reflejada

• Onda incidente ondas difractadas emitidas

por los límites del defecto

• Ondas cilíndricas / esféricas emitidas en todasdirecciones

• Amplitud típica de 20 a 30 dB por debajo de lareflexión directa




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Uso convencional de la difracciónUso convencional de la difracción

• Método de difracción de extremos (técnica de observaciónsatélite-pulso)

Angulo

Difracción del extremo

1

2

1

2 Ranura o defecto

Reflexión de esquina

Tiempo de Vuelo

Amplitud

Tiempo de Vuelo, Angulo y Velocidad Altura




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Principios básicos de TOFD

Ajuste típico

Principios básicos de TOFD

Ajuste típico

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Extremo superior

Extremo inferior

Reflexión de Pared Posterior




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Ajuste Típico Ajuste Típico

• 2 sensores (transmisor, receptor)

• Haz ultrasónico ancho, ondas longitudinales

• Simétricamente al centro de la soldadura

• Onda lateral (Onda longitudinal subsuperficial)

• Reflexión de Pared Posterior• Detección de la señal de difracción (receptor de altasensibilidad)




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Señales de barrido ASeñales de barrido A

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Extremo superiorExtremo inferior


O L R P P




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Diferencia de FaseDiferencia de Fase

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Extremo superiorExtremo inferior


O L R P P+

+

- -




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Profundidad del DefectoProfundidad del Defecto

• Basado en:

! Medición exacta del tiempo de viaje

! Ecuaciones trigonométricas simples

• Realizado por computadora




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Tiempo de ViajeTiempo de Viaje

Transmisor Receptor

S S

t0

d

Pulso Inicial

t

O L R P P




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Profundidad del DefectoProfundidad del Defecto

PCS = 2S PCS Separación del centro de los sensores

Transmisor ReceptorS

t0

PCS

S

t0

d T




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Altura del Defecto Altura del Defecto

Transmisor Receptor2S

d1

d2

Ya que para calcular la altura solo se utiliza la medición de los tiempos de viaje, esposible estimar con mucha exactitud estos valores. En la práctica se han obtenidoexactitudes de 1mm en discontinuidades reales (0.1 mm en reflectores artificiales)




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Defecto típico, Discontinuidad en la

cara superior


cara superiorTransmisor Receptor

La Onda Lateral es bloqueada

Extremo de ladiscontinuidad


No hay Onda Lateral

R P P




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cara superior


cara superiorTransmisor Receptor

Onda Lateral

Extremo de ladiscontinuidad

Eco de Pared Posterior bloqueado

No hay Eco de ParedPosterior

OL




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Defecto típico, Discontinuidad planahorizontal (Falta de fusión, Laminaciones)

Defecto típico, Discontinuidad planahorizontal (Falta de fusión, Laminaciones)

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Eco de Reflexión


Pared PosteriorOL

Señal Reflejada




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Implementación Práctica - TOFDImplementación Práctica - TOFD

• Ajuste general

• Consideraciones de los sensores

• Procesamiento de datos y presentación

• Manipulador

• Tipos de Barrido




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Ajuste general Ajuste general

Encoder de Posición

Omniscan MX

Soldadura

SensoresUltrasónicos Manipulador

SensoresOmniscan MX

Ruedas Magnéticas




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Consideraciones de los sensoresConsideraciones de los sensores

• Tipo de Onda

! Ondas Longitudinales: Ondas más rápidas, fácil interpretación, nohay confusión con ondas de conversión de modo (Ondas de Corte).

Señales difractadas más fuertes.

• Angulo

! Relación entre el ángulo y la amplitud de la señal difractada

generada, precisión en la determinación de la altura de defectos.

! En la mayoría de los casos: 60° es una buena elección.

• Resolución de la variable tiempo

! Mediciones basadas en tiempo, pulsos ultrasónicos cortos(importancia del equipo ultrasónico: parámetros de excitación de lossensores), frecuencias más altas que en la técnica pulso-ecotradicional.

C id i d l




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Consideraciones de los sensores –Características del Haz

Consideraciones de los sensores –Características del Haz

• Haz amplio para cubrir el volumen a inspeccionar

• Ya que: alta frecuencia se tiene una pequeña

abertura del haz y una baja sensibilidad

Haz Haz

Apertura

i d ióP i t d D t P t ió




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Procesamiento de Datos y PresentaciónProcesamiento de Datos y Presentación

• El procesamiento de todas las señales no rectificadasrequiere de un poderoso sistema de computo

• Una gran cantidad de señales complejas requiere unaforma simple de visualizar los datos

• Se requieren cálculos tediosos para herramientas fáciles de

usar

Vi li ió d D tVi li ió d D t




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Visualización de Datos Visualización de Datos

Amplitud

Blanco

Negro

Tiempo

Tiempo

En una enorme cantidad de datos

la información de la fase es importante

Una imagen de barrido A es reemplazada por una línea en escala de grises

Vi li ió d D tVi li ió d D t




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Visualización de Datos Visualización de Datos

OL

PP

Barrido A

Barrido D

Superficiesuperior

ParedPosterior

H i t d C lib ióHe amientas de Calib ación




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Herramientas de CalibraciónHerramientas de Calibración

OL

Barrido D

PP

PCS

Barrido A

PCS, espesor, velocidad, retardo deltransductor, onda lateral o pared posterior

No se tienen que conocer todos losparámetros

H i t d M di ióHerramientas de Medición




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Herramientas de MediciónHerramientas de Medición

I

Barrido D

t1

h

Barrido A

CursoresCalculadora integrada

t1 , t2 d1 , d2 y h son

calculados automáticamente

t2

P

d1

d2

ManipuladorManipulador




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ManipuladorManipulador

Muy sencillo de usar

Manual o automático

Encoder de posición deun eje

Básicamente 2 sensores,pero puede sujetar más(PE)

Se necesita un ajuste

fácil y preciso de laseparación de lossensores

Encoder de Posición

Soldadura

SensoresUltrasónicos

Ruedas Magnéticas

Tipos de Barrido Barrido LongitudinalTipos de Barrido Barrido Longitudinal




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Tipos de Barrido – Barrido LongitudinalTipos de Barrido – Barrido Longitudinal

Soldadura

Mas frecuentementeusado para inspecciónde soldaduras

Detección

Dimensionamientoinicial

Inspección de altavelocidad

No paralelo o barrido Do barrido lineal

Perpendicular a la

dirección del haz delsensor

Limitaciones: La profundidad del defecto es exacta solo cuando los sensores son posicionadossimétricamente en relación al defecto. La posición lateral del defecto es desconocida

Barrido Longitudinal Influencia de laBarrido Longitudinal – Influencia de la




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Barrido Longitudinal – Influencia de laposición del defecto

Barrido Longitudinal – Influencia de laposición del defecto

Transmisor Receptor

S

t0

S

t0

d

x

Barrido Longitudinal Incertidumbre deBarrido Longitudinal – Incertidumbre de




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Transmisor ReceptorS

t2

S

t1

dmin dmax

Sitio con tiempoconstante

(t1 + t2 = ct)

Barrido Longitudinal – Incertidumbre dela posición del defecto

Barrido Longitudinal – Incertidumbre dela posición del defecto

En la práctica:

El máximo error en la posición absoluta de profundidad es menor al 10%.

El error en la estimación de altura de un defecto interno (pequeño) es insignificante.

Hay que tener cuidado con defectos pequeños situados cerca de la pared posterior.

Barrido ParaleloBarrido Paralelo




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SoldaduraLateral, transversal obarrido B

El movimiento es

paralelo a la direccióndel haz ultrasónico

Dimensionamiento yposicionamiento preciso

Limitaciones en caso de inspección de soldadura: La corona de la soldadura frecuentementereduce o hace imposible la extensión del barrido.





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Lateral, transversal obarrido B

El movimiento esparalelo a la direccióndel haz ultrasónico

Onda Lateral Superficiesuperior

ParedPosterior

Barrido B

Este tipo de barrido produce una parábola invertida.

Códigos y Normas – NormasCódigos y Normas – Normas




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Códigos y Normas – NormasBritánicas

Códigos y Normas NormasBritánicas

• Guía para la calibración y ajuste de la técnicaTOFD, BS 7706 (1993)

• Documento detallado con lineamientos de usopráctico para el ajuste e inspección de la técnicaTOFD

• Guía para la interpretación de datos• Ejemplos de defectos típicos en soldadura

Códigos y Normas – CENCódigos y Normas – CEN




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Códigos y Normas CENCódigos y Normas CEN

• La técnica TOFD como un método para ladetección y dimensionamiento de defectos,CENV 583-6 (1997)

• Norma preliminar

• Tablas con parámetros recomendados para

sensores en relación con diferentes espesores(frecuencia, tamaño del cristal, ángulo nominal)

Ventajas de la técnica TOFDVentajas de la técnica TOFD




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Ventajas de la técnica TOFD Ventajas de la técnica TOFD

• Inspección volumétrica, en línea

• Barrido a alta velocidad

• Ajuste independiente de la configuración de lasoldadura

• Capacidad de dimensionar defectos con

precisión• Sensible a todo tipo de defectos

• No es afectada por la orientación del defecto

• Insensible a la amplitud, acoplamiento acústicopoco crítico

Desventajas y limitaciones de laDesventajas y limitaciones de la




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Desventajas y limitaciones de latécnica TOFD - “Zonas muertas” Desventajas y limitaciones de latécnica TOFD - “Zonas muertas”

OL

Pared Posterior

PP

Barrido A

Barrido D

Superficie superior

Desventajas y limitaciones de laDesventajas y limitaciones de la




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Desventajas y limitaciones de latécnica TOFD

Desventajas y limitaciones de latécnica TOFD

• “Zonas muertas”

• “Mira” todo esto dificulta el análisis

• Efecto de posición lateral del defecto (barridolongitudinal)

Onda Lateral LinealOnda Lateral Lineal




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Onda Lateral LinealO da ate a ea

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Variación en el espesor del acoplante

Variación en el tiempo de vuelo





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Onda Lateral Lineal

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Desalineamiento Variación en el tiempo de vuelo





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Noviembre de 2004

Transmisor Receptor

Onda Lateral

Pequeñas variaciones mecánicas en la separación de

los sensores Variación en el tiempo de vuelo

Soluciones ofrecidas por Llog, s.a.Soluciones ofrecidas por Llog, s.a.




Llog, s.a. de c.v.


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p g,p g,

• Utilizar técnica TOFD: Si

• Pero: No olvidar las ventajas ofrecidas por la

técnica convencional Pulso-eco• Solución: Aplicar ambos métodossimultáneamente, TOFD y Pulso-eco, sin tener

que reducir la velocidad de barrido

Soluciones ofrecidas por Llog, s.a.Soluciones ofrecidas por Llog, s.a.




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p g,p g,

Pulso-Eco Ondastransversales 45°

TOFD

Pulso-Eco Ondastransversales 60°

El sistema µTomoscan permite adquirir y analizarsimultáneamente señales TOFD y pulso-eco

µTomoscan para aplicacionesµTomoscan para aplicaciones




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µ p pde TOFD y PEde TOFD y PE

• Pequeño, ligero, de 1 a 16 canales

• Software TOFD y PE• Formación recta de la Onda Lateral

• Adquisición de datos y visualización multicanal

• Presentación lineal de la profundidad real ensuperficies planas o cilíndricas

• Procesamiento (compresión de datos)

µTomoscan para todo tipo deµTomoscan para todo tipo de




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µ p paplicacionesaplicaciones

• Sistema modular

• Se pueden agregar opciones para cumplir conrequerimientos específicos

! Pulsador / pre-amplificador remoto

! Dispositivos de barrido (scanner)

! Manipulador de control multi-eje

! Software (también compatible con Matlab)

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