Ultrasonidos Phased-Array para inspección de metales

Transcripción

1 DASEL, SL Avda. de Madrid, 84 Arganda del Rey MADRID Ultrasonidos Phased-Array para inspección de metales Roberto Giacchetta Socio Fundador DASEL "FABRICACIÓN E INSPECCIÓN DE PRODUCTOS DE GRANDES DIMENSIONES" Zaragoza, Jueves 24 de Febrero de 2011

2 DASEL, Qué es? Es una empresa 100% de capitales privados, focalizada a dar soluciones en el Campo de los UT digitales Su objetivo es transferir a la industria los resultados de Investigación en el campo de las tecnologías ultrasónicas. Desde el 2009 se encuentra certificada bajo la norma ISO 9001:2008 para la fabricación y diseño de equipos de ultrasonido. Invierte una media del 25 % de su facturación en nuevos proyectos de I+D. SUSEI ULTRASENS DIFRASCOPE SIMOD ALEXANDRIA

3 Es socio de las plataformas PESI, HISPAROBOT, Cluster Aerospacial, PTFE. Entre sus clientes se encuentran: Talgo, Airbus, NASA, CONAE, Danorail, Tecnatom La composición de su personal, principalmente son ingenieros y técnicos altamente cualificados. Posee representaciones en Sudamerica, China y Turquia. Desde su inicio ha comercializado e instalado equipos en Alemania, Argentina, Brasil, Lituania, etc...

4 DASEL, Qué ofrece? Soluciones en sistemas de ultrasonido de gama baja, media y y alta. Un alto grado de personalización en los sistemas de inspección por ultrasonido. Asesoría y colaboración en la búsqueda de ayudas en I+D. Capacidad de realizar consultoría y estudios de viabilidad. Formación en tecnologías avanzadas de ultrasonido.

5 Grandes Componentes Metálicos

6 Grandes Problemas Metálicos

7 Como la industria minimiza estos problemas? Radiografía Industrial + UT manual

8 Tecnología UT basada en Phased Array Obtener un registro permanente y directo Una fácil interpretación de las discontinuidades Automatizar el proceso e independizarlo del humor del operador Eliminar las numerosas medidas de seguridad para la protección contra la radiación Mejorar la productividad, más metros x hora REGISTRO DIGITAL BASADO EN TECNOLOGÍA Phased Array

9 H2.1.2 Normas y Códigos

10 La señal ultrasónica Señal Ultrasónica ± μv Vibración mecánica en un medio elástico. Aplicaciones END: 500 KHz a 15 MHz -300 V 1. Polarización del cristal piezoeléctrico con un pulso de alta tensión. 2. La excitacion eléctrica genera una deformación elástica en el cristal piezoeléctrico. 3. La deformación elástica se transmite por el interior del material como una vibración mecánica. 4. La vibración mecánica es reflejada por el reflector (fondo). 5. La vibración mecanica provoca una deformación en el cristal piezoeléctrico. 6. Esta deformación en el cristal piezoeléctrico genera una señal eléctrica de baja tensión.

11 La señal ultrasónica Tipos de señales ultrasónicas v L Longitudinal E(1 ) (1 )(1 2 ) Transversal v T E 2 (1 ) Superficie (Rayleigh) v S v T E 2G : Coeficiente de Poisson ( ) G N E : Módulo de elasticidad m 2 Kg : Densidad 3 m

12 Transductor Phased Array Campo acústico Una señal por transductor (emisión / recepción) 16 señales por transductor (emisión / recepción) Transductor Mono-cristal Transductor Phased Array de 16 elementos Cristal Piezoelectrico No se detectan Foco Foco Haz divergente unidireccional Haz focalizado y en múltiples ángulos

13 Contenido 3. Imagen ultrasónica A-scan B-scan C-scan D-scan

14 Imagen ultrasónica A-scan Entrada Material Taladro Fondo plano Amplitud Tiempo de inicio Tiempo de fin Umbral Tiempo de vuelo Entrada Material Agujero Fondo Material Fondo Material

15 Imagen ultrasónica B-scan

16 Imagen ultrasónica C-scan Puerta mm mm

17 Imagen ultrasónica C-scan Distancia barrido Y C-SCAN TOF (Tiempo de vuelo) B-SCAN Distancia barrido X TOF (Tiempo de vuelo) A-SCAN Distancia barrido X Amplitud

18 Imagen Ultrasonica con Phased Array Barrido lineal (B-scan) La apertura se desplaza electrónicamente a lo largo del transductor phased array. VENTAJA No es necesario mover el transductor. Apertura

19 Imagen Ultrasonica con Phased Array Barrido lineal (B-scan) Inspección de soldaduras Transductor Mono-crystal Transductor Phased array VENTAJA No es necesario mover el transductor

20 Imagen Ultrasonica con Phased Array Deflexión del haz LOS ANGULOS DE BARRIDO SE CAMBIAN ELECTRONICAMENTE VENTAJA UN TRANSDUCTOR PHASED ARRAY ES EQUIVALENTE A UN TRANSDUCTOR MONO-CRISTAL Y UN COMPLETO CONJUNTO DE SUELAS DE DISTINTOS ANGULOS. SUELA 30º PROGRAMABLE SUELA 45º SUELA 60º UNICA SUELA 60º 45º 30º

21 Clasificación de los equipos PA EQUIPOS PORTATILES PORATABLES EMPOTRABLES Sistemas de 32 a 256 canales Rango amplio de frec. 30Khz 20 Mhz Compatibles con PA lineales y Bidimensionales Sistemas Mixtos TOFD-PA

22 Clasificación de los PA Transductores LINEALES ANULARES MATRICIALES 1.5D CURVOS ANILLOS SEGMENTADOS

23 Clasificación de los PA Robot Manuales Compactos Sistemas

24 TOFD (Time-Of-Flight Diffraction)

25 TOFD (Time-Of-Flight Diffraction) Emisor Unión de la soldadura Receptor Onda lateral Borde superior de la grieta Borde inferior de la grieta Eco de fondo Las señales que se utilizan normalmente en TOFD son longitudinales La onda lateral tiene una frecuencia menor que el resto. La señal se desfasa 180º en cada discontinuidad.

26 TOFD (Time-Of-Flight Diffraction) Emisor Unión de la soldadura Receptor Blanco Negro Tiempo de vuelo (us) Distancia de barrido (mm) Representación B-Scan

27 TOFD Algunos ejemplos de señales

28 Ejemplos TOFD Falta de fusión en el lateral Falta de penetración en la raiz Falta de penetración en la raiz Fisura próxima a la superficie

29 Ejemplos TOFD Falta de fusión interna Porosidad Cavidad en la raiz Fisura transversal

30 TOFD + Phased Array

31 Comparativa de la técnica TOFD + PA Netherlands Institute of Welding

32 Contenido 8. Aplicaciones industriales

33 Inspección de soldadura con barrido sectorial Los ángulos típicos de inspección con palpadores mono elementos son: 45º 60º y 70 º Utilizado PA se pueden generar ángulos mayores y con pasos < 1º ( 35º a 80º) d La distancia d se calcula como: tan ( )=d/t d= tan ( )*t D=24mm La ventaja principal de esta técnica es la velocidad de inspección ( solo hay que trasladar el PA paralelo a la soldadura, 100 mm/s) Es muy sencillo determinar los ecos geormricos de los defectos La sección cruzada de una junta de extremo soldado, con el gris más oscuro representando la zona de la soldadura o la fusión, el gris medio la zona afectada por el calor ZAT, y el gris más claro el material base.

34 Identificación de ecos Los ángulos menores ( 35º- 44º) ven los defectos en un salto La raiz se observa con angulos mayores 70º a 80º El sobre resalte aparece en agulos intermedios y en un salto

35 Esquinas T Se utiliza PA de 128 elementos, se Desplaza el PA sobre la superficie y Genera un barrido C-scan

36 receptor Soldaduras por láser Las soldaduras con láser provocan defectos verticales que solamente se pueden detectar utilizando la técnica tándem Phased Array > 60 elementos Barrido Angular Apertura elementos Represnetacion : B-scan y Proporcional emisor

37 Analisis de la Soldadura por TIG -Crater de parada + Falta fusión

38 BARRIDO S-scan angular Soldadura de 20 mm Inspección soldaduras en cascos de barcos 2 Cruce soladadura

39 Aplicaciones Industriales Verificación integral de los taladros de sujección de los discos de ferno

40 Aplicaciones Industriales Verificación integral de los taladros de sujección de los discos de ferno AGUJEROS DE SUJECCION RUEDA Fisuras EJE agua SITAU Phased Array

41 Aplicaciones Industriales Verificación integral de los taladros de sujección de los discos de ferno IMAGEN SECTORIAL

42 Aplicaciones Industriales Verificación integral de los taladros de sujección de los discos de ferno Imagen ultrasónica completa

43 Aplicaciones Industriales Verificación de tornillos de sujeción de discos de freno Disco de freno Tornillos de sujeción Objetivo: Inspeccionar la rosca de un tornillo de sujeción de disco de freno de tren Defectos: Roturas y deformaciones en el filamento de la rosca

44 Aplicaciones Industriales Verificación de tornillos de sujeción de discos de freno Esta es la única superficie accesible cuando el tornillo está montado en la rueda Barrido angular La inspección no puede realizarse con un monoelemento, porque es necesario un barrido angular

45 Aplicaciones Industriales Verificación de tornillos de sujeción de discos de freno

46 Aplicaciones Industriales Inspección de la línea de pegado en palas de aerogeneradores Pegado con EPOXY Superficie de GFRP Largueros de GFRP Objetivo: Inspeccionar la línea de pegado entre las superficie y los largueros Defectos: Pegado defectuoso (en general falta de expoxy)

47 Aplicaciones Industriales Inspección de la línea de pegado en palas de aerogeneradores ARRAY GFRP HAZ EPOXY GFRP DEFECTO

48 Aplicaciones Industriales Inspección de la línea de pegado en palas de aerogeneradores Barrido mecánico en X e Y Baja resolución lateral Barrido mecánico sólo en X Alta resolución

49 Aplicaciones Industriales Inspección de la línea de pegado en palas de aerogeneradores

50 Aplicaciones Industriales Detección de fibras rotas en palas de aerogenerador Objetivo: Detectar la rotura de fibras de vidrio en capas delgadas de GFRP Defectos: Fibras rotas

51 Aplicaciones Industriales Detección de fibras rotas en palas de aerogenerador Las fibras rotas se detectan por un cambio en el patrón de interferencia generado por el material El C-Scan convencional no es de utilidad en este caso Se desarrolló un nuevo método GFRP-Scan

52 Aplicaciones Industriales Detección de fibras rotas en palas de aerogenerador

53 Muchas gracias

54 Aplicaciones Phased Array La norma ASME obliga a inspeccionar la soldadura con distintos ángulos para cubrir toda el volumen de la zona afectada térmicamente. Utilizando tecnología PA se reduce La cantidad de transductores a 2 Permitiendo cubrir en forma electrónica todo el volumen de la soldadura

55 TOFD (Time-Of-Flight Diffraction) Emisor Unión de la soldadura Receptor A B C D Señal recibida B D A C Tiempo de vuelo (μs)

56 TOFD (Time-Of-Flight Diffraction) Emisor Unión de la soldadura Receptor A B C D Señal recibida D B A C Tiempo de vuelo (μs) t L t B tc tbw

57 TOFD Configuración

58 TOFD Configuración Transductor Divergencia del haz Cristal piezoeléctrico f D c Parámetros del Transductor (D) Diámetro (f) Frecuencia Parámetros del Material (c) Velocidad N 0 CAMPO CERCANO N 0( NEAR FIELD ) c f 2 D 4 N 0( NEAR FIELD ) 2 D f 4c α DIVERGENCIA DEL HAZ arcsin k c Df Dirección de propagación (z)

59 TOFD Procesamiento de la señal

60 TOFD Procesamiento de la señal Cálculo de la posición de los defectos (x, d) Emisor (T1) y S 1 S 1 Receptor (T2) Receptor (T3) x (0,0) Elipse 1 S 2 d 1 S 1 S 2 d2 Elipse 2 Velocidad de Propagación (c) Ecuación de una elipse: ( x x 2 a ) ( y y 2 b Ecuación de la elipse 1: ( x S ) 2 S d 1 ( x S ) 2 2 S d 2 y d1 Ecuación de la elipse 2: y d2 ) (x 0, y 0 ) son las coordenadas del centro de la elipse a y b son los semiejes mayor y menor de la elipse S 1 es la mitad de la distancia entre los transductores T1 y T2 d 1 es la profundiada medida por el tranductor T2 S 2 es la mitad de la distancia entre los transductores T1 y T3 d 2 es la profundiada medida por el tranductor T3

61 TOFD Procesamiento de la señal Cursores hiperbólicos En las imágenes obtenidas con la técnica TOFD existen deformaciones, en forma de hipérbola, en los extremos del reflector. Esto es debido a que el campo acústico es muy ancho y en una posición determinada del barrido (y) se ven los defectos que están en posiciones cercanas (y ). z x y z y 2 2 c t 2 4( S d y 1 y 2 y 3 y 4 Y (Distancia de barrido) mm 2 ) S 2 2 y d 2 1 TOF (Tiempo de vuelo) us y 1 y 2 y 3 y 4