TOFD Time of Flight Diffraction ¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨

1. TOFDTime of Flight Diffraction¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨ By: Nick Bublitz Traduccion: Carlos Correia

2. La onda incide en el defecto. En cada punto de la superficie del defecto se genera una nueva onda esferica Diffraccion Basada en el principio de Huygens

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

4. 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.

5. Frentes de Onda ToFD 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

6. 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.

8. 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)

9. 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

10. 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.

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

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

13. 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.

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

15. 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.

16. 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).

17. Difraccion en los extremos de grieta Si la ondaempieza en un ciclopositivo e incide en un defecto, la ondadifractadapor el extremo superior del defecto, actuacomosihubierasidoreflejadapor la superficie de fondo. Presenta un cambio de fase de 180 grados. 2. La ondaqueproviene del extremo inferior del defecto, actuacomosi lo bordeara sin experimentar un cambio de fase y se mantienepositivo. La escoria y la porosidad son generalmentemuydelgadosparaproducir dos señales separadas.

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

19. 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.

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

21. Paso a tonos de gris

22. 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.

23. Barrido No-paralelo Entalla Orificio SDH

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

25. No-Paralelo

26. 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.

27. Barrido paralelo Discontinuidad en la superficie de acople

28. 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)

29. Presentacion-B-scan Eje de barrido Vista

30. Otros tipos de barrido • Doble Paso- utilizadocuandoesdificildetectar y discriminar los defectoscercanos a la superficie de acoplamiento.

31. 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.

32. 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

33. 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

34. 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.

35. 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

36. Posicionamiento Lateral

37. dmin dmax Incertidumbre en la posicion del defecto S S Receiver Transmitter 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

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

39. 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. . S R Tiempo de LW 50us Profundidad en tiempo 5 us 10 us 15 us 20us 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 1 2 3 4

40. 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.

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

42. 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.

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

44. PV100-Tomoview

45. PV-100

46. Multiple Tofd

47. 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

48. Par simple de TOFD

49. Sistemas multiples TOFD - PE

50. Tofd y Phased Array