Técnicas TOFD y Phased Array
1 TÉCNICA TOFD PARA INSPECCIÓN DE SOLDADURAS
Técnicas TOFD y Phased Array
Antonio Racionero Martínez
Delegado Zona Centro-Norte y Canarias División Industrial - Olympus España
L
a necesidad de reducir los tiempos de las inspecciones, al mismo tiem- po que mejorar la fiabilidad de las mismas, ha llevado al desarrollo de tecnologías y técnicas de ultrasoni- dos que nos permitan optimizar estos dos aspec- tos.Las principales ventajas que ofrecen, tanto la tecnología Phased Array, como la técnica TOFD, son entre otras:
1. La representación de los datos que facilita la interpretación de los mismos, a la vez que mejora la detección de defectos.
2. Aumenta la velocidad de inspección.
3. La posibilidad de minimizar la complejidad de los sistemas mecánicos, en el caso de las ins- pecciones mecanizadas de ultrasonidos con un registro de los datos. Esto permite realizar inspecciones por ultrasonidos de forma rápida y eficiente, así como, la posibilidad de sustituir la radiografía mediante ultrasonidos registra- bles.
1.- TÉCNICA TOFD PARA INSPECCIÓN DE SOLDADURAS
1.1.- Introducción
La técnica TOFD se basa en la detección y análisis de las señales de difracción generadas en los extremos de cualquier discontinuidad, en lugar de las señales reflejadas en las mismas, como en el caso de la técnica Pulso-Eco (PE).
1.2.- Breve descripción teórica de la Técnica TOFD
Esta técnica se basa en el fenómeno de di- fracción. Dicho fenómeno se produce cuando una onda mecánica (onda ultrasónica) incide sobre una discontinuidad dentro de un medio, enton- ces en los extremos de dicha discontinuidad se producen unas ondas ultrasónicas denominadas ondas de difracción. (Figura Nº 1)
Las ondas de difracción se caracterizan por- que son ondas esféricas que se propagan en to- das las direcciones y tienen una amplitud bastan- te menor que las ondas reflejadas (en torno a 20 ó 30 dB menor).
La configuración básica en una inspección de soldadura mediante la técnica TOFD es la que se presenta en la Figura Nº 2.
La configuración básica consiste en enfrentar dos palpadores, uno a cada lado del cordón de soldadura, uno como emisor y otro como recep-
Antonio Racionero Martínez
Inspección de Soldadura. Técnicas TODF y Phased Array
tor. Estos palpadores estarán separados una dis- tancia, PCS (Probe Center Spacing), en función del espesor de la chapa, y de la frecuencia, án- gulo y diámetro del palpador, con el fin de cubrir el volumen de soldadura deseado.
Los palpadores generarán un haz angular de ondas longitudinales.
El haz generado debe tener un gran ángulo de divergencia, por lo que se utilizarán palpadores con cristales de pequeño diámetro.
Las señales más representativas en la técnica TOFD son las que aparecen en la figura anterior.
• Onda Lateral: Onda sub-superficial que viaja
directamente del palpador emisor al receptor. Esta onda longitudinal es la primera que llega al palpador receptor, ya que es la que tiene el recorrido más corto. Esta onda no debe con- fundirse con las ondas de superficie que son ondas transversales.
• Eco de Fondo: Esta es la onda longitudinal
reflejada en la cara opuesta de la chapa y que es recibida por el palpador receptor. Es la se- ñal con mayor recorrido de distancia, por lo que aparece en el último lugar del A-Scan. • Ondas de difracción: Señales de difracción
(TIP): Ondas difractadas esféricas que se pro- ducen en los extremos de cualquier disconti- nuidad que quede dentro del haz ultrasónico de los palpadores.
Normalmente, cuando se utiliza la técnica TOFD, se emplea la señal RF para identificar los cambios de fase de la señal y poder así identificar cada una de las señales. Si observamos la Figura Nº 2 veremos que se produce un cambio de fase
entre la onda lateral y la onda de difracción del extremo superior del defecto, al igual que ocurre con el eco de fondo, mientras que la onda de di- fracción del extremo inferior del defecto está en fase con la onda lateral.
Otra herramienta que utiliza la técnica TOFD es la vista B-Scan (Figura Nº 3), con una esca- la de grises, que facilita la identificación de las señales de las indicaciones y la medida de lon- gitud y profundidad de las mismas, al tiempo que deja un registro de datos, requisito que se ha de cumplir para poder sustituir a la radiografía. La generación de esta vista requiere que el equipo disponga de una entrada de coordenadas.
1.3.- Ventajas de la técnica TOFD
• Rapidez en la inspección. Se puede inspeccio- nar todo el volumen de la soldadura de una sola pasada.
• Detección de toda clase de discontinuidades independientemente de su orientación.
• Técnica muy apropiada para medir profundi- dad y tamaño de los defectos, debido a que se mide directamente sobre el B-Scan la pro- fundidad de las señales de difracción de los defectos, por lo que, midiendo entre ellas se puede determinar el tamaño de los mismos. Técnica muy útil a la hora de medir profundi- dad de grietas. Del mismo modo, sobre el B- Scan se mide la longitud de la indicación. • Es una técnica ultrasónica que no tiene en
cuenta la amplitud de la señal para el dimen- sionamiento de defectos.
• Deja un registro de datos de toda la inspección de soldadura, por lo que en muchos casos, puede sustituir a la radiografía.
Figura Nº 2. Configuración básica en una inspección de solda- dura mediante la técnica TOFD y señales más representativas.
Figura Nº 3. Representación B-Scan de una inspección mediante la técnica TOFD.
1.4.- Inconvenientes de la técnica TOFD
• Zonas interferidas: Tanto la zona cercana a la superficie como la zona cercana a la cara pos- terior de la pieza, quedan interferidas por la señal de la onda lateral como por la señal del eco de fondo, respectivamente.
• Sólo se puede medir la profundidad a la que se encuentra el defecto, pero no su posición con respecto al eje central del cordón de soldadu- ra, por lo que resulta difícil identificar el tipo de defecto.
1.5.- Equipamiento para realizar una inspec- ción de soldadura mediante la técnica TOFD
El equipamiento básico para la realización de una inspección de soldadura mediante la técnica TOFD es el siguiente:
• Equipo de ultrasonidos, con entrada de enco- ders, presentación BScan y con herramientas software específicas para la técnica TOFD (OmniScan MX).
• Palpadores con suelas angulares de ondas longitudinales con gran ángu- lo de divergencia y alta sensibilidad y resolución (palpadores de piezo- composite).
• Scaner para mantener la distancia entre los palpadores, PCS, y mandar la posición de los mismos al equipo mediante un encoder.
En la inspección de soldaduras de chapas gruesas, es posible que sea necesaria la utiliza- ción de varios canales TOFD para cubrir todo el volumen de soldadura. El OmniScan MX dispone de distintos módulos de ultrasonidos convencio- nales con 2, 4 y 8 canales para poder trabajar con varios canales TOFD al mismo tiempo.
1.6.- Ejemplos de defectos en soldaduras de- tectados mediante la técnica TOFD
Figura Nº 4. Distintos modelos de escáneres mecánicos según la soldadura a inspeccionar.
Figura Nº 5. Pantalla OmniScan MX con un registro de un canal TOFD
Figura Nº 6.
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2.- TECNOLOGÍA PHASED ARRAY EN LA INS-