TOFDTime of Flight DiffractionTiempo de Vuelo de la Onda Difractada By: Nick BublitzTraduccion: Carlos Correia

*Diffraccion

Basada en el principio de Huygens

*OndasDISCONT.Onda DifractadaOnda DifractadaOnda incidenteOnda ReflejadaToda direccion

Baja energia

Independiente del angulo del defecto

*

Diffraccion

Modificacion o defleccion del haz sonicoOnda incidente crea nuevo frente de ondaExtremos del defectos son nuevos emisoresNo relacionado con la orientacion del defectoSeales debiles requieren amplif. (preamp en el receptor)Defectos planos afilados son mejores emisoresLas seales de los extremos son ubicadas con facilidad. Tiempo de vuelo desde los extremos del defecto utilizados para dimensionar.Haz ancho longitudinal.

*Frentes de Onda ToFDPunto de salida60 degApertura del haz en la zapataApertura del haz en el materialCentro del hazOndas de corteLongitud de onda de corte = Long

*Apertura del hazTeoria 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 frecuenciaLa 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 MHzAngulo 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 grados2 MHz- 29.4-90 grados3 MHz- 38.3-90 grados4 MHz- 43-90 grados5 MHz- 45.9-90 grados

*Modos de ondaUn 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 PantallaLWVolumen del materialBWZona de modo convertidoModo convertido bw

*A-ScanTransmisorReceptor

*Onda LateralLa 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 fondoCombination de energia reflejada y difractada.Seal de elevada amplitud

*Modo ConvertidoOcurre luego del Eco de fondo, por la menor velocidad de las ondas de corte.Seales de alta amplitudNo 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 faseUna 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 grietaSi 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 seales separadas.

*Visualizacion de la dataD-scan

*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 seal, 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 dataAmplitudTiempoTiempoOne A-scan picture is replaced by one gray-coded line

*Paso a tonos de gris

*Barridos tipicos TOFD Se utilizan 2 barridos tipicosNonparallel: 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-paraleloOrificio SDHEntalla

*Vista D-scan (Omniscan=B-scan)

*No-Paralelo

*Barrido No-paraleloUbicar discontinuidadesEstimar la profundidad de la discont.Longitud en el eje deExiste 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 paraleloDiscontinuidad en la superficie de acople

*Barridos paralelosPreciso para determinar la profundad del defectoSe asegura el ancho de la discontinuidadInclinacion (aprox.)La amplitud de la seal es maxima cuando el defecto esta en el centro de los transductores (la distancia mas corta)

*Presentacion-B-scan

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

*Otros tipos de BarridoNon-paralelos excentricosUtilizado si se sospecha que una discontinuidad se encuentra mas cerca de uno de los transductores y cercana a la superficie, la seal de la onda lateral y la seal 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 barridoBarridos manuales sin encoderUtilizados solo para detectar no para dimensionarAspectos 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

*Imagen permanente B-scan Vista LateralAlta precision de dimensionamiento, altura del defecto, ligamento superior, ligamento inferior, etc. Aspecto critico para mecanica de la fractura.Tecnica permite barridos rapidosDeteccion es casi independiente de la orientacion del defectoBasasa 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 defectoAmplia cobertura

TOFD Ventanjas

*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 Seal 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

*Existe un conjunto de puntos que dan los mismos valores temporalesEstos 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 defectoTransmitterReceiverSSt2t1En la practica:Maximo error en profundidad absoluta por debajo de 10%.Error en el dimensionamiento de la altura de pequeos defectos es despreciable. Cuidado con defectos pequeos cerca del eco de fondo

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

*No linealidad en la ProfundidadUn 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 distorsin en la forma en que se presenta la imagen. Las indicaciones parecen estar mucho mas cerca de la superficie de lo que estn en realidad. Calibraciones para determinar la profundidad real de la discontinuidad son muy importantes..

*Profundidad Distorsion VisualLa 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.

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

*Solucion recomendadaTOFD: SINo olvidar las ventajas del PULSO ECO convencionalSOLUCION: 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-100El sistema permite adquisicion simultanea y analisis (solo en bajo control de TOMOVIEW) de TOFD y PE

*PV100-Tomoview

*PV-100

*Multiple Tofd

*Scanner/Arreglo RequerimientosAbsolutos-Buen contacto con la superficieControl absoluto del PCSGarantizar desplazamiento rectoRecomendacionesRuedas magneticas para sistemas ferrosos.PreamplificadorSuministro de acoplanteReglas vernier para ajustar el PCSZapatas ajustables a superficies curvasSistema de cable umbilicalTransductores y zapatas soportados individualmente con maximo grado de libertadGuias laser u otras

*Par simple de TOFD

*Sistemas multiples TOFD - PE

*Tofd y Phased Array

*Acoplante ConsideracionesAgua es uno de los mejoresSuministro constante permite aplicacion homogenea que rellena irregularidades superficiales. IHC (irrigation, holes, carbides)

*Wedge ConsiderationsPrevenir desgaste, pines de carburo muy utiles en la parte inferior de la zapata (espaciamiento en el acople)tipico- 0.2mmEspaciamientos de y longitud de onda deben ser evitados para evitar interferencia

*AnalisisCaracterizacion clasica-Ubicacion: Posicion en el eje de barridolongitudProfundidad y alturatipo- superficial/conectada al DI, abierta/embebida

*Forma del defectoDada la forma del haz muchos defectos se observan curvados.

*Discontinuidades paralelas a la SuperficieEl tiempo de vuelo cuando las discontinuidades son paralelas a la superficie, presenta un minimo cuando las probetas estn directamente encima de la discontinuidad. Las discontinuidades presentan una morfologa parabolica en la imagen dada su relacin espacial con el transductor y el haz snico.Flawdiff. signalssignal

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

*Cursores ParabolicosPara determinar la longitud de del defecto se ajusta la curvatura de los cursores a la curvatura de los extremos de la indicacin 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 ParabolicosUtilizando la informacion de fase en la seal RF el cursor puede ser posicionado en el punto de mayor amplitud de la indicacin. 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 superficieDado 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 ParabolicosLas 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 ParalelosGrieta abierta a la superficie de acopleGrieta conectada a la superficie de fondoDefecto horizontal planar

TOFD Defectos Tipicos

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

*Upper Surface Breaking CrackTransmitterReceiverDesaparece la OL

*Back Wall Surface Breaking CrackTransmitterReceiver

*Grieta cercana a la sup. acopleLa grieta bloquea la Onda Lateral y el tip inferior se observa en el A-scan21

*Penetracion inadecuada en la raiz21Se observan claramente las dos seales de los extremos del defecto1234

*Falta de PenetracionFase invertida con respecto a la onda lateral123

*Falta de fusion en un biselSe observan las dos seales de los dos extremos1234

*PorosidadPorosidad puede presentarse en forma individual o en clusters.12

*Grieta TransversalEn la onda lateral podemos observar el efecto del ancho del haz en una grieta transversal.1234123

*Concavidad en la raiz Distorsion del eco de fondo123

*Falta de fusion entre pases

****************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.*******************