Ultrasonic Testing

Introducción

• Esta presentacion es una introducción a la técnicade UT.

• El ultrasonido utiliza ondas de alta frecuencia parainspeccionar materiales y efectuar mediciones.

• La inspección Ultrasónica puede ser aplicada a una amplia gama de materiales y gometrias. Soldaduras, fundiciones, forjas y compostes.

• El método permite determinar la presencia de discontinuidades, espesor de revestimientos, propiedades acusticas y elasticas

Contenido

• Aplicaciones

• Principios

• Pulso eco y transmision

• Equipo

• Transductores

• Instrumentos

• Standards

• Presentación de la data

• Ventajas y desventajas

Principos Básicos

•El sonido es producido por un cuerpo que vibra y se desplaza de acuerdo con las propiedades de unaonda.

•La perturbacion produce el movimiento de lasparticulas del material.

•La frecuenciamuy por encima del rangoaudible.

Principos Básicos (cont.)

• La LONGITUD DE ONDA (λ) es la distancia entre dos puntos de la misma fase.

• El tiempo requerido para que la particula efectueuna oscilacion completa es el PERIODO.

• λ = c/f

• La inspección con UT utiliza diferentes modosde vibración. Los máscomunes son: L, T, R

Principos Básicos (cont.)

• Las ondas ultrasonicas son similares a las ondas de luz. Pueden ser reflejadasrefractadas, enfocadas.

• La reflexión y la refracción ocurrencuando la onda incide en una superficiecon diferente impedancia acustica.

• En los solidos ocurren cambios de modo de propagación cuando la ondaincide a un ángulo diferente a 90 grados.

• La refleccion del ultrasonido en lasdiscontinuidades y la aplicacion de principios geometricos, permiten sucorrecta ubicación.

• A elevadas frecuencias, la velocidad de propagación es constante para cadamodo de vibración..

Generación del ultrasonido

El transductorpuede transmitir y recibir.

Un elementopiezoelectricoconvierte la energiamecanica en electricay viceversa..

Principios de Inspeccón con UT

• El ultrasonido suele modelarse como lineas rectas

que se propagan en el interior del material hasta

que encuentran un reflector.

• Cuando la onda interactua con una superficie,

parte se refracta y parte se refleja.

• La cantidad de energía transmitida o reflejada

puede correlacionarse con las dimensiones del

defecto.

• El equipo registra el tiempo de vuelo, este dato en

conjunto con la disposición geométrica del

sistema permite obtener información sobre la

distancia a la que se encuentra el defecto.

• UT método muy versatil, muchas aplicaciones,

• Existen tres tipos principales

• Pulso eco y Transmisión

• Haz normal y haz angular(Indica con que angulo incide el UT en el material)

• Contacto o Inmersión(Relacionado con el método de acoplamiento)

Técnicas

• El transductor envia un pulso ultrasonico y se capturan y analizan los ecos provenientes de la superficie posterior o discontinuidades.

• La cantidad de energía reflejada (Amplitud) es graficada en funcion del tiempo. Esto da información sobre la ubicación y dimensión del defecto.

Pulse-Eco

plate

crack

0 2 4 6 8 10

initial

pulse

crack

echo

back surface

echo

UT Instrument Screen

Test Techniques – Pulse-Echo (cont.)

Pantalla del equipo donde se observa el eco de fondo (superficieposterior).

Eco del reflector

La técnica permite dimensionar y ubicar los reflectores.

Transmisión

0 2 4 6 8 10

2

11

• Dos transductores son colocadosen lados opuestos del material. Un transductor transmite y el otrorecibe.

• En este caso lasdiscontinuidades opacan o atenuan la señal. Esto disminuyela amplitud de la señal.

• Es un método ideal para analizardiscontiuidades que no son buenos reflectoras, no se puedeobtener información sobre la posición del defecto.

T R

T R

11

2

Imagen en el

equipo del bloque

en zona SIN

discontinuidad

Pérdida de

amplitud de la

señal por

presencia de

discontiuidad.

Transmisión

Incidencia Normal y Angular

• La inspección con haz angular introduce una perturbacionnormal a la superficie de acoplamiento. Incidencia a 90 grados.

• La inspección con haz angular introduce una perturbación con un ángulo de incidencia inferior a 90 grados.

• La seleccion de la técnicadepende de dos consideraciones:

- La orientación del defecto.

- Condiciones superficiales de aoplamiento, restricciones.

0 2 4 6 8 10

FWE

BWEDE

2IPIP = Initial Pulse

FWE = Front Wall

Echo

DE = Defect Echo

BWE = Back Wall

Echo

0 2 4 6 8 10

FWE

BWE

1IP1 2

Defect

Contacto Vs Inmersión

• Para poder introducir el UT es necesario colocar un medio quepermita su paso entre el transductor y la pieza, este productose conoce como acoplante.

• En la tecnica por contacto se requiere la aplicacion de agua, aceite, glicerina, etc como acoplante.

• En la técnica por inmersión, tanto la pieza como el transductorson introducidos en un fluido. La técnica ofrece varias venajas, entre ellas mantener un “acoplamiento” consistente.

• Con la técnica de inmersión en modo pulso eco, se observa el eco de refleccion en la superficie frontal de la pieza además de los otros ecos.

Aplicaciones

Algunas de las aplicaciones:

• Detectar defectos (grietas, inclusiones,

porosidad, etc.)

• Medición de pérdida de espesor

• Dterminar integridad de uniones en adhesivos y

soldaduras tipo brazing.

• Estimación del contenido de espacios vacios en

materiales plásticos composites

• Medición del espesor de capas endurecidas en

aceros.

• Estimation del tamaño de grano en materiales

Medición de Espesores

• Medicion de espesores. Metodo rutinario en refineriapara evaluar la velocidad de corrosion.

• Tuberías, recipientes a presión, tanques.

Detección de Defectos-

Delaminaciones

Signal showing multiple back

surface echoes in an unflawed area.

Additional echoes indicate

delaminations in the member.

Presencia de laminaciones

Inspección de Soldaduras

• Uno de los métodos másutilizados parainspeccionar soldaduras

• Las juntas a topes requieren haz angular.

Equipos

Gran variedad de equipos. Seleccionar el màs apropiado.

El equipo ultrasónico esta compuesto portres elementos básicos:

- Equipo

- Transductores

- Bloques de calibración

Transductores

Gran variedad de transductores.

• Clasificación general:

- Contacto o immersion

- Mono o duales

- Haz angular o normal

• Frecuencia, Ancho de bandatamaño, enfoque.

Transductores de Contacto

Soportan uso riguroso. La capa de acoplamientoes gruesa y muyresistente.

Transductores de Contacto (cont.)

• Los transductores duales poseendos cristales piezoelectricos.

• Uno transmite y el otro recibe.

• Este tipo de arreglo aumentamarcadamente la resolucionsuperficial ya que el receptor no necesita tiempo de espera pararecibir.

Los transductores duales son generalmente usados en medición de espesores.

Transductores de Contacto (cont.)

• Para mejorar la resolucion cercade la superficie de un transductor monoelemento, se puede utilizar una zapata de retardo..

• La linea de retardo le da tiempoal piezoelectrico a que se frene.

• Los transductores de contactogeneralmente pueden ser protegidos mediante colocacionde membranas para protegerlosde la fricción.

• Aplicaciones mas utilizadasincluyen medición de espesoresy evaluación a altastemperaturas.

Transductores Angulares (cont.)

• Incorporan zapatas quepermiten incidencia angular.

• Ley de Snell para calcular la incidencia

• Las zapatas pueden ser fijaso removibles.

• El uso más generalizado esla inspección de soldaduras.

Transductores de Inmersión

(cont.)• Diseñados para ser

sumergidos total o parcialmente en agua.

• Comunmente vienen con lentes acusticos paraenfoque cilíndrico o esférico.

R=F(n-1)/n

n = C1/C2

Instrumentation

• La instrumentacion ultrasonica es muy variada. Cada usuario define el equipo que necesita segunsus necesidades.

• Existen muchas clasificaciones para los equiposde ultrasonido: portable or stationary, contact or immersion, manual or automated.

• Hay otras clasificaciones mas especificas. Medicion de Espesores, UT Medico, Phased Arrays, Pulso Eco Angular…

Instrumentation (cont.)

• Medidores de espesoresgeneralmente ofrecenuna salida numerica.

• Son generalmenteutilizados para evaluarel progreso de corrosion.

• En los ultimos años, se está exigiendo el uso de medidores de espesor con presentacion A-Scan. La razon: la presencia de laminaciones.

Instrumentation (cont.)

• Defectoscopios – paradetectar discont.

• Evaluar diferentescaracteriticas del material.

• Analogicos - digitales.

• Se puede controlar la presentacion de pentalla y poseen Ventanaselectronicas.

Instrumentation (cont.)

• Existen instrumentosIndustriales y de laboratorio que permitencontrol de mayor numerode variables

• Suelen ser unidadesmodulares.

• Menor portabilidad.

Instrumentation (cont.)

•Sistemas Inmersion -> Creacion de imagenes

•Tanque + Equipo UT+ Sistemax,y,z,theta+ software de control.

•La presion acustica es medidaen cada punto de la mallaestablecida.

•Las imagenes son graficadasconvirtiendo los valoresnumericos a todos de gris.

•MATLAB htofd matrix

Images of a Quarter Produced With an

Ultrasonic Immersion Scanning System

Imagen acustica en escala de

grises de la superficie frontal de

una moneda.

Imagen en escala de grises del eco

de fondo de la moneda.

Calibration Standards

Calibracion es un proceso de ajustar variables del equipo n funcion de valores conocidos.

•Enorme vairedad de bloques de calibracion y de referencia dada la gran cantidad de aplicaciones.

Bloques de calibracion del “mismo” material

A continuacion se muestran algunos

Calibration Standards (cont.)

Bloques escalonados, pueden ser planos o escalonados o con corrosion superficial inducida

Bloques de Distancia / Amplitud utilizan agujerosde fondo ALCOA A y ALCOA B

ASTM Distance/Area Amplitude

NAVSHIPS

Calibration Standards (cont.)

Bloques para Haz angular

Estos bloques estanfabricados con una serie de reflectores, entallas, orificios laterales, etc.

IIW

DSC DC Rhompas

SC

ASME Pipe Sec. XI

Qualification Standards

Bloques paradeterminar la resolusion del hazetc…

AWS Resolution

IOW Beam Profile

DC-dB Accuracy

Data Presentation

• En general se tienen tres formatos basicos de presentacion:

• A-scan

• B-scan

• C-scan

Data Presentation - A-scan

• A-scan Energia en Funcion del tiempo

• El tamaño de la discontinuidad es proporcional a la amplitud del defecto.

• La posicion del reflector se determina por el TOF.

Time

Sig

nal A

mp

litu

de

Sig

nal A

mp

litu

de

Time

Data Presentation - B-scan

•B-scan presenta un cortetransversal de la pieza. Distancia - Profundidad

•Solo se observa la posicion del reflector

•Los defectos pueden ser enmascarados por otrosdefectos.

Data Presentation - C-scan

• La presentacion C Scan es una vista de planta de

la situacion y dimension de los defectos.

• C-scan producido por sistemas x,y,z, theta.

• C-Scan es una forma de presentar un conjunto de señales A-Scan.

Photo of a Composite Component

C-Scan Image of Internal Features

Ventajas Ultrasonic Testing

• Sensible a pequeñas discontinuidades

• Mejora el desempeño con la profundidad

• Acceso por un solo lado

• Alta precision estimando las dimensiones del reflector

• Baja preparacion de la superficie

• Resultados inmediatos.

• Imagenes detalladas

• Muchas aplicaciones…

Limitations of Ultrasonic Testing

• Surface must be accessible to transmit ultrasound.

• Skill and training is more extensive than with some other methods.

• Normally requires a coupling medium to promote transfer of sound energy into test specimen.

• Materials that are rough, irregular in shape, very small, exceptionally thin or not homogeneous are difficult to inspect.

• Cast iron and other coarse grained materials are difficult to inspect due to low sound transmission and high signal noise.

• Linear defects oriented parallel to the sound beam may go undetected.

• Reference standards are required for both equipment calibration, and characterization of flaws.

Glossary of Terms

•Acoustical properties: ultrasonic material characteristics such as velocity, impedance, and attenuation.

•ASTM: acronym for American Society for Testing and Materials. This society is extensively involved in establishing standards for materials and the testing of materials.

•Back reflection: a display signal that corresponds to the far surface of a test specimen, side opposite to transducer when testing with longitudinal waves.

•Band width: a range of frequencies either transmitted or received, may be narrow or broad range.

•B-scan: presentation technique displaying data in a cross-sectional view.

Glossary of Terms

•Calibration: a sequence of instrument control adjustments/instrument responses using known values to verify instrument operating characteristics. Allows determination of unknown quantities from test materials.

•CRT: acronym for Cathode Ray Tube. Vacuum tube that utilizes one or more electron guns for generating an image.

•C-scan: presentation technique that displays specimen data in a plan type view.

•DAC (Distance Amplitude Correction-curves): a graphical method of allowing for material attenuation. Percentage of DAC is often used as a means of acceptance criteria.

•Discontinuity: an interruption in the physical structure of a material, examples include fissures, cracks, and porosity.

Glossary of Terms

• IIW: calibration standard meeting the specification of the International Institute of Welding.

• Longitudinal (Compression) waves: ultrasonic mode of propagation in which the particle vibration is parallel to the direction of propagation.

• Near Surface Resolution: the ability of an ultrasonic system to display reflectors located close to the entry surface.

• Pulse-echo: ultrasonic test method that utilizes reflected sound as a means of collecting test data.

• Rayleigh (Surface) waves: ultrasonic mode of propagation where the sound travels along the surface, particle vibration is elliptical.

Glossary of Terms

• Reflection: the changing in direction of sound waves as they strike a surface.

• Snell’s Law: an equation of ratios used to determine incident or refracted angle of sound, denotes angle/velocity relationship.

• Sweep display: horizontal line on the lower portion of the display, often called the time base line.

• Through transmission: test technique in which ultrasound is transmitted from one transducer and received by a separate transducer on the opposite side of the test specimen.

• Wavelength: the distance that a sound wave travels as it completes one cycle, normally measured in inches or millimeters.

For More Information

The Collaboration for

NDT Education

www.ndt-ed.org

The American Society

for Nondestructive

Testing

www.asnt.org