Manufacturing welded joints with realistic defects. TOFD calibration Blocks by ITMA 

 Ricardo Alvarez ITMA Technological Services Manager 

FUNDACION ITMA  

Abstract Intentional weld defect or  flaw specimens can be  required  for  training purposes, developing new  non‐destructive  testing  techniques,  qualifying  non‐destructive  testing  procedures especially in case of TOFD qualification procedures, obtaining mechanical property data and in support of safety cases. 

The most  important target  in producing defects or  imperfections  is that they must accurately simulate  flaws which  can  suddenly  appear  in welded  components  and  structures.  For  this reason, in certain applications, machined slots or grooves which are more easily detected may not be considered acceptable as planar defects for the NDT training or validation purposes. For that  reason Fundacion  ITMA has developed  techniques  for producing  realistic  imperfections and, in the case of cracks, the desired morphology, including shape, angles of tilt and skew to the surface. 

This document describes the Itma references, experiences and techniques used to obtain the above mentioned defects and, for the most commonly required defect types, the qualification procedure  used  by  ITMA.  This  consists  of  inspecting  by  testing  by  surface  crack  detection, measuring  inside  the  slot,  ultrasonic  or  radiographic  inspection  and/or  sectioning  to demonstrate  that the dimensional tolerance of the simulated  imperfections can be generally guaranteed within ±0.1mm in through‐wall extent and ±0.2mm in length. 

Background When  summarising  the  work  carried  out  within  the  Project  for  the  Inspection  of  Steel Components series, some authors concluded that the NDT procedure has to be validated and tested on structures containing defects that, not being necessarily real ones, still do induce the real  physical  phenomena  that  the  inspection  techniques  must  be  able  to  handle.  Some technical papers stated  that  the use of very artificial discontinuities  like side‐drilled holes or flat‐bottomed‐holes  to  demonstrate  the  capabilities  of  NDT  techniques  often  results  in optimistic  reports and uncertain use of  the  technique on  structures  containing  real defects. When comparing the use of welded joints with real or artificial realistic flaws some advantages could be listed for the latter [1]:  

Less expensive and time‐consuming fabrication  The possibility of more certain characterisation  The  provision  of  non‐contaminated  assemblies  that  can  be  more  easily  used  for 

effectiveness assessments  The consideration of more relevant selections of structural geometry and material 

 ITMA  can  produce  weld  specimens  with  defects  such  as:  lack  of  root  fusion,  lack  of penetration,  lack  of  sidewall  or  inter‐run  fusion,  joint misalignment,  porosity,  solidification cracking, cluster cracking, heat affected zone (hydrogen) cracking, undercut, brittle fracture or fatigue cracks, slag inclusions or metallic slag. Some of these are essentially produced by using controlled bad welding practice with  techniques such as SAW,  tungsten  inert gas  (TIG), CMT 

 and CMT‐Pulse, operating automatic and  robotic welding  technology systems, high precision machine  tools  and  fatigue  testing  in  complex  structures.  The  majority  of  realistic  defects produced by ITMA are obtained by weld modification, and machining.  

This document  shows a  few examples of  the  techniques used  to obtain  the  realistic defects and their application, for the different defect types. Details of the techniques not described in this document are considered as ITMA industrial secret Knowhow. 

Lack fusion defects and demonstration blocks Lack of side wall or internal fusion defects are normally obtained with two techniques: 

TIG bridging  Use of a metallic or non‐metallic insert. 

 The  'TIG bridging'  technique  consists of outlining  the edges of  the defect on  the weld edge with TIG runs, then bridging the area between them with further TIG runs, deposited so that no fusion with the base metal is obtained.  

Fundacion Itma has long experience in obtaining lack of side wall or internal fusion defects in welded  coupons  and  demonstration  blocks  for  TOFD.  Normally  demonstration  blocks  are obtained by using the metallic or non‐metallic insert technique. The procedure to manufacture these  demonstration  blocks  requires  EDM  notches  located  in  internal  parts  of  the welded coupon. The demonstration blocks as required per ASME V appendix IX‐435 must correspond to the following requirements: 

The demonstration block shall be prepared by welding in order to permit the flaw location. Its weld geometry  shall be  representative of  the production details and  its material and  shape shall be the same as the required to demonstrate the NDT system accuracy. WPS shall be used as in the same production condition. 

The EDM internal notches should be located according to the specification of ITMA customers and  in each case a non‐metallic or metallic  insert  is  implanted  inside the notch. The defect  is carefully closed on the weld edge by welding it in position with TIG runs and then completing the weld according to the applicable welding procedure specification (WPS).  

The contraction of the weld metal deposited to complete the weld is controlled carefully to be sure that   the    insert  is  'pushed' towards the weld edge producing a very tight defect, which simulates  the morphology of  a  real  Lack of  side wall or  internal  fusion defects. Both  these techniques allow a very accurate control of the defect size. 

For a demonstration block,  the TIG bridging  technique could be  less accurate control of  the defect  size,  especially  in  the  materials  were  some  cracks  in  welding  could  be  expected. Fundacion  ITMA  only  produce  defects  for  demonstration  block  with  the  insert  technique where  the  crack mouths  do  not  tend  to  open  due  to  solidification  shrinkage  of  the weld; hence, it is possible to obtain very tight and very precise defects by this method. 

EDM notching 

Machining  or  spark  eroding  are  the most  controlled ways  to  produce  defects.  Due  to  the nature of the machining operation  itself, such defects would be classified more as  'reference reflectors'  than  'realistic  defects'.  However,  there  are  cases  where  according  to  the requirements of  the  relevant  code or  standard and based on engineering  considerations by 

 NDT experts, the  full control of the size,  location and orientation of the deliberate defects  is 

more critical than their resemblance to a real defect. The location, orientation and sizes of the defects  to be  inserted  in  the welds, are  selected  to match  the acceptance  criteria  for  ITMA customer like for example ASME section XI article IWB‐3512.  

Production of defective specimens at ITMA 

The production of defective welds at ITMA usually involves three steps, which are detailed below. 

The first step when manufacturing a defective weld is to specify the type, quantities, location (embedded, sub‐surface, surface breaking in HAZ, base metal or weld metal), orientation (tilt and skew) and size of the defects, as well as the joint design and the welding procedure. 

The joint design and the welding procedure are usually identical to that of the welds to be inspected in production. On the other hand, there are some factors that will influence the selection of defect types, sizes, locations and orientations: 

‐Fracture mechanics aspects: a fracture mechanics based fitness‐for‐service assessment would provide critical flaw sizes to be reproduced in the weld, to demonstrate that the selected NDT technique is capable of detecting them.  ‐In‐service experience: the defective weld may be designed to simulate actual defects found on components in service, in order to develop inspection techniques to be applied to other components operating in similar conditions.  

Qualification tests 

The  exact  size  of  the  final  deposited  defect  cannot  be  completely  controlled  during manufacturing  and  can only be monitored by dimensional  control of  the  EDM notches  and NDT of final defects. 

In order to overcome these limitations and ensure that the defect obtained is as close as possible to the required size, prior to the manufacturing of the defective welds, trial and qualification samples for all required flaw types are manufactured. 

These are typically welds in plates in which the required flaw types are implanted. A ITMA internal qualification sequence is then applied, which is similar to that provided by welding qualification standards) to qualify welding procedures and welders: 

‐During manufacturing of the trial plate(s) the welding parameters and defect deposition techniques are monitored and registered, so that they can be repeated when manufacturing the actual defective weld. 

‐After welding, the qualification samples are assessed by a combination of metallographic evaluations (macro and micrographs) and radiographic inspection, aimed at measuring the exact size of the implanted flaws and at assessing their morphology and any induced metallurgical variations. 

The obtained sizes are compared with the required ones and with acceptance criteria (dimensional tolerances) selected by ITMA. 

 A defect deposition procedure is considered satisfactory if these two conditions are satisfied: 

The morphology of the realistic defect is similar to that of the corresponding real defect The difference between the actual size of the defect and the required size is within ±0.5mm in through‐wall extent, ±1mm in length, and ±0.2 mm in thickness of the defect.  

If the qualification fails, the procedure is repeated  

A number of defect sizes were measured within various confidential projects for the company DF Caldereria pesada, for which the required defect through‐wall extent and length ranged from 2.4 to 5.0 mm and 9.7 to 20.0mm, respectively, see references. 

Manufacture of defective weld and final inspection 

Once the qualification procedure is complete and it is has been demonstrated that all required defect  types  can be deposited within  the  target  tolerances on  size,  the defective welds are manufactured. Following completion of the welds, UT/RX inspection is normally carried out to verify  that  all  required  defects  have  been  inserted  and  are  detectable.  Any  additional indication which does not correspond  to any of  the  required defects  is also  recorded and  in case eliminate by reparation or manufacturing another new block.  

 

 

Figure 1. Macrographic evaluation of calibration hole 1.5 on prequalification block 1.  

 

 

 

Figure 2. Macrographic evaluation of calibration hole 1.4 on prequalification block 1.

  

Figure 3. Macrographic evaluation of calibration hole 1.3 on prequalification block 1.  

 

 

Figure 4. Macrographic evaluation of calibration hole 1.2 on prequalification block 1.  

Conclusions 

‐It could be demonstrated that ITMA can reliably produce welded joints with realistic defects, representative of the morphology of the most common defect types, and especially in the case of defects for demonstration blocks 

‐Using the different defect production techniques available at ITMA, mainly insert technique, the dimensional tolerance of the realistic defects (ie actual size of the defect vs required size) can be generally guaranteed within ±0.5mm in through‐wall extent, ±1mm in length, ±0.2 mm in thickness. 

‐A welding qualification procedure has been developed by ITMA, whereby welding trials followed by metallographic assessment and NDT inspections are carried out and the results assessed against the acceptance criteria.  

‐To ensure consistency in defect size and morphology, manufacturing of the defective welds is carried out with parameters and operation sequences similar to those recorded during welding procedure qualification.