ES2566677T3 - Detección de defectos en estructuras soldadas - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de detección de defectos en una estructura metálica soldada, que comprende sujetar o fijar de otro modo un transductor ultrasónico en, o junto a un cordón de soldadura, y emitir señales de ondas de Lamb ultrasónicas, de tal modo que las señales se propaguen a lo largo del cordón de soldadura que actúa como una guía de onda, y detectar reflexiones de la señales guiadas, procedentes de la guía de onda, que pueden ser indicativas de defectos en el interior del cordón de soldadura, o adyacentes al mismo.

Description

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DESCRIPCION

Deteccion de defectos en estructuras soldadas Sector tecnico de la invencion

La presente invencion se refiere a un procedimiento que utiliza ondas ultrasonicas para la deteccion de defectos de tipo corrosion en estructuras soldadas, tales como depositos utilizados para el almacenamiento de agua, lastre o combustible.

Antecedentes de la tecnica

Los procedimientos actuales utilizados para la inspeccion de depositos de almacenamiento requieren acceso a sus superficies internas y una evaluacion visual de la corrosion. Esto es un procedimiento tanto prolongado como costoso, requiere el vaciado de los depositos y unas condiciones de trabajo inhospitas. Una alternativa a la inspeccion local es utilizar ondas guiadas para inspeccionar grandes areas desde un sensor. Este enfoque ha sido utilizado para la deteccion de corrosion en oleoductos, y mas recientemente en el desarrollo de procedimientos para la inspeccion de grandes areas de placas; ver P Wilcox, M Lowe y P Cawley, "An EMAT array for the rapid inspection of large structures using guided waves" ("Una matriz EMAT para la inspeccion rapida de grandes estructuras utilizando ondas guiadas") Review of progress in quantitative nDt, ed. D O Thompson y D E Chimenti, A.I.P. Conference Proceedings, volumen 22, 2003; P Wilcox, M Lowe y P Cawley, "Omni-directional Guided Wave Inspection of Large Metallic Plate Structures Using an EMAT Array" ("Inspeccion por ondas guiadas omnidireccionales de grandes estructuras de placa metalica utilizando una matriz EMAT"), IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency Control, 2004; P Wilcox, M J S Lowe y P Cawley, "The effect of dispersion on long range inspection using ultrasonic guided waves" ("El efecto de la dispersion en la inspeccion de largo alcance utilizando ondas ultrasonicas guiadas") NDT & E International, 34, paginas 1 a 9, 2001. La tecnica utilizada implica la exploracion de una placa bidimensional en todas las direcciones, generando un haz ultrasonico dirigido electronicamente con un transductor EMAT de una construccion especial.

El documento de Sylvie Legendre et al: "Neural classification of Lamb Wave Ultrasonic Weld Testing Signals Using Wavelet Coefficients" ("Clasificacion neuronal de senales ultrasonicas de prueba de soldaduras con ondas de Lamb utilizando coeficientes de ondfcula"), IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, US, volumen 50, numero 3, junio de 2001 (2001-06) ISSN: 0018-9456, da a conocer un procedimiento para detectar defectos en una estructura metalica soldada, que comprende montar un transductor ultrasonico a cierta distancia de un cordon de soldadura, emitir senales ultrasonicas hacia un lado del cordon de soldadura, y detectar reflexiones de las senales, que pueden ser indicativas de defectos en el interior del cordon de soldadura, o junto al mismo.

Las ondas ultrasonicas utilizadas en las placas en las aplicaciones de pruebas no destructivas (NDT, non-destructive testing) son normalmente ondas de Lamb. Las ondas de Lamb se definen y explican en el documento de Viktorov, Acoustic Institute, Academy of Sciences, USSR "Rayleigh and Lamb Waves" ("Ondas de Rayleigh y de Lamb"), Plenum, 1967:- "Lamb waves refer to elastic perturbations propagating in a solid plate (or layer) with free boundaries, for which displacements occur both in the direction of wave propagation and perpendicularly to the plane of the plate. Lamb waves represent one of the types of normal or plate modes in an elastic waveguide, in this case a plate with free boundaries. For this reason Lamb waves are sometimes simply called normal modes in a plate. But this definition is rather loose, insofar as another type of normal mode can exist in a plate with free boundaries, namely transverse normal modes, wherein the motion is perpendicular to the direction of propagation and parallel to the boundaries of the plate." ("Las ondas de Lamb se refieren a perturbaciones elasticas que se propagan en una placa (o capa) solida de contornos libres, para lo que se producen desplazamientos tanto en la direccion de propagacion de la onda como perpendicularmente al plano de la placa. Las ondas de Lamb representan uno de los tipos de modos normales o de la placa en una grna de onda elastica, en este caso una placa con contornos libres. Por esta razon, en ocasiones las ondas de Lamb se denominan simplemente modos normales en una placa. Pero esta definicion es muy imprecisa, por cuanto que puede existir otro tipo de modo normal en una placa con contornos libres, en concreto los modos normales transversales, en los que el movimiento es perpendicular a la direccion de propagacion y paralelo a los contornos de la placa").

Los analisis muestran que para el movimiento de las ondas perpendicular a la direccion de propagacion, y perpendicular al grosor de la placa, existe en dos grupos de ondas, las denominadas ondas de Lamb simetricas (S) y las ondas de Lamb antisimetricas (A). En las ondas simetricas, el movimiento se asemeja a una expansion y contraccion alternas de la placa en la direccion del grosor, mientras que en las ondas antisimetricas, el movimiento de la onda se asemeja a una flexion alternativa de la placa en sentidos opuestos a traves del grosor de la placa. Existe un numero finito de cada tipo de onda, denominados ordenes (n), estando la longitud de onda de los ordenes superiores relacionada armonicamente con el orden cero. Los ordenes se diferencian entre sf en sus velocidades de fase y de grupo.

Existen otros tipos de ondas, que se propagan en placas, que no se denominan normalmente ondas de Lamb, por ejemplo ondas de cizalla (SH) o transversales, en las que el movimiento de la onda es paralelo a los contornos de la placa.

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Las ondas guiadas en placas perderan ene^a hacia el medio circundante si la placa esta sumergida en un Kquido. Esto sera particularmente notable si el medio es viscoso, y ocurrira en mayor medida cuando el tipo de modo tenga como resultado la deformacion superficial sin movimiento fuera del plano, en lugar de un movimiento en el plano. En general, esto significa que los modos de ondas de Lamb antisimetricas tienen una alta atenuacion, y los modos de ondas de Lamb simetricas con poco desplazamiento superficial fuera del plano presentaran una atenuacion insignificante como resultado de la carga del lfquido. Sin embargo, esto supone normalmente que son necesarios transductores especializados que sean sensibles al desplazamiento superficial en el plano. Pueden ser utilizados EMATs (Electromagnetic acoustic transducers, transductores acusticos electromagneticos) y transductores piezoelectricos de cizalla para generar y recibir modos simetricos, tales como los modos fundamentales So o SHo.

Se presentan complicaciones asociadas con la inspeccion por ondas guiadas, en general, debido a que las ondas se propagan con velocidades diferentes a frecuencias diferentes (un fenomeno conocido como dispersion), y asimismo debido a que la excitacion y recepcion de modos no deseados tiene como resultado senales superpuestas y confusas. Surgen asimismo problemas practicos habituales asociados con la utilizacion de ondas guiadas, a partir de las reflexiones desde los bordes de la placa, de la presencia de refuerzos, de la presencia de soldaduras y juntas, y de cambios de grosor.

Resumen de la invencion

Normalmente se acepta que la junta de soldadura es el area mas cntica desde el punto de vista del rendimiento, dado que se puedan producir muchas caractensticas perjudiciales; incluyendo estas cambios en la microestructura, imperfecciones en la soldadura y la presencia de tension residual. Se considera asimismo que estas imperfecciones pueden tener como resultado una corrosion selectiva, ya sea en la propia soldadura o en la zona afectada por el calor (HAZ, heat affected zone) adyacente a la soldadura. La presente invencion se dirige a la deteccion de corrosion en la soldadura o en la zona afectada por el calor. En particular, dado que la soldadura puede tener un acabado imperfecto, o que la propia soldadura puede ofuscar senales originadas en areas corrofdas, implfcitamente existe asimismo la necesidad adicional de detectar y diferenciar las reflexiones originadas en la soldadura respecto de las que se originan por corrosion.

El concepto de la presente invencion consiste en introducir una onda de Lamb ultrasonica, de un modo y frecuencia predeterminados tales que se propague a lo largo de la longitud de un cordon de soldadura, donde el cordon de soldadura constituye una grna de onda para la onda ultrasonica. La diferencia entre el grosor y las propiedades materiales de la soldadura y de la placa provoca velocidades de propagacion (de fase) en la soldadura diferentes comparadas con la placa y esto, a su vez, hace que la soldadura actue como una grna de onda, tal como se describe a continuacion. A los efectos de esta descripcion, se entiende que "grna de onda" significa un medio de transmision que confina y grna la energfa de una onda ultrasonica. El confinamiento se produce por la reflexion interna de las ondas en las paredes en los contornos de la grna de onda. Para una accion de grna de onda perfecta, se tiene una reflexion interna total en los contornos, y ninguna fuga de energfa desde la grna de onda. Sin embargo, en la practica puede existir perdida de energfa desde la grna de onda cuando la reflexion interna no llega a ser total. De acuerdo con la teona de grnas de onda, existe una onda evanescente que se extiende en una corta distancia hacia el exterior de los contornos de la grna de onda, y esta propiedad puede ser explotada con la presente invencion tal como se explica a continuacion.

De acuerdo con la invencion, se pueden detectar defectos muy pequenos en la soldadura y en el area afectada por el calor adyacente a la soldadura. Dado que la energfa de la senal transmitida se transmite a lo largo del cordon de soldadura, solamente se pueden producir reflexiones desde lugares interiores al cordon de soldadura o adyacentes al mismo. Ademas, se reduce sensiblemente el problema comun con la NDT de excitacion y recepcion de modos no deseados, dado que se ha descubierto que para ciertas zonas de frecuencia, las ondas transmitidas se propagaran solamente en un unico modo a una frecuencia predeterminada.

En un primer aspecto, la invencion da a conocer un procedimiento de deteccion de defectos en una estructura metalica soldada, tal como se define en la reivindicacion 1.

El transductor se puede montar en el borde de la placa en la que esta situado el cordon de soldadura, tal como se describe mas adelante. Alternativamente, el transductor se puede montar en la superficie de la placa adyacente al cordon de soldadura. El transductor se sujeta a la placa metalica, o se fija de otro modo. El transductor puede ser un transductor piezoelectrico o un transductor de tipo EMAT, un transductor interdigital u otro tipo de transductor utilizado en pruebas no destructivas.

El transductor esta dispuesto preferentemente tanto para transmitir senales como para recibir senales reflejadas. Un medio transceptor esta acoplado al elemento transductor para proporcionar senales para transmision y para procesar senales recibidas. La senal transmitida preferida tiene una forma pulsada, de manera que las reflexiones desde los potenciales puntos defectuosos se pueden detectar como pulsos de "eco". La senal pulsada se transmite como un paquete de ondas, con frecuencias centradas en torno a una frecuencia de base. El pulso esta conformado de manera que reduce el ancho de banda, por ejemplo por medio de una ventana de Hanning (funcion coseno alzado), para reducir la dispersion del pulso y debido a que se pueden producir frecuencias superiores en zonas en las que el cordon de soldadura no funciona de la manera deseada. Preferiblemente, y tal como se describe a continuacion, los pulsos tienen la forma de una rafaga de tonos definida dentro de una ventana de Hanning, de entre

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5 y 20 ciclos de longitud. Cuanto mayor es la rafaga de tonos, mas monocromatica es y por lo tanto menos propensa a la dispersion. Sin embargo, puede haber mas dificultad en la discriminacion de reflexiones con un pulso mas largo. Se pueden utilizar otras formas de ventana para reducir el ancho de banda, y estas seran bien conocidas por los expertos en la materia.

Se ha descubierto que, de acuerdo con la invencion, para ciertas zonas de frecuencia, las ondas transmitidas se propagaran solamente en un unico modo dentro del cordon de soldadura. Por lo tanto, es deseable determinar previamente, mediante observacion o calculo, el modo adecuado de la onda ultrasonica, si es una onda simetrica (S), antisimetrica (A), de cizalla (SH) u otro modo, el orden del modo (indicado por un submdice) y la frecuencia de funcionamiento en la que el cordon de soldadura actuara como una grna de onda. Se ha descubierto, de manera fortuita, que un modo adecuado es el modo simetrico fundamental (So) de una onda de Lamb, tal como se describe a continuacion, dado que se puede generar dentro de una zona de frecuencia en la que otros modos no se pueden propagar en el interior de un cordon de soldadura.

El efecto de grna de onda se produce en el interior de la soldadura debido principalmente a que esta es mas gruesa que la placa, y por lo tanto la velocidad de fase en la placa es mayor que en la soldadura. Esto tiene como resultado la reflexion interna total en el interior de la soldadura, de manera analoga a lo que se encuentra en las grnas de onda opticas. Ademas, se propaga una onda evanescente en una zona adyacente a la soldadura, con una amplitud que decae exponencialmente con la distancia desde la soldadura, con una distancia caractenstica determinada por la longitud de onda. La eficacia con la que la onda es guiada dependera parcialmente de la medida en que la velocidad en la placa es mayor que en la soldadura, lo que viene determinado por la diferencia en grosores, modulos y densidades, y parcialmente de la monocromaticidad del paquete de ondas; esto se explica en mayor detalle a continuacion.

La presencia de una onda evanescente existente en el exterior del cordon de soldadura de la grna de onda implica que es posible detectar defectos que puedan existir, cuando la intensidad de la onda evanescente es apreciable. Ademas, cabe la posibilidad de colocar el transductor en el interior de una zona de la onda evanescente fuera de la grna de onda, y seguir acoplando energfa en la grna de onda. En general, la zona util para una onda evanescente es de una longitud de onda de la onda ultrasonica (digamos, 50 mm) desde el contorno de la grna de onda, dado que es aqrn donde la intensidad de la onda esta reducida por un factor de 1/e. Sin embargo, si se utiliza una gran cantidad de energfa para excitar las ondas ultrasonicas, se puede extender dicha zona util.

Dado que la energfa de la senal transmitida se transmite a traves del cordon de soldadura, solamente se pueden producir reflexiones desde los lugares interiores al cordon de soldadura o adyacentes al mismo. Ademas, se reduce sensiblemente el problema comun con la NDT de excitacion y recepcion de modos no deseados, dado que se ha descubierto que para ciertas zonas de frecuencia, las ondas transmitidas se propagaran solamente en un unico modo a una frecuencia predeterminada. Esto implica que se puede reducir la magnitud del filtrado y de otro procesamiento de las senales recibidas, y se simplifica el proceso global de la recepcion.

Breve descripcion de los dibujos

Se describira a continuacion una realizacion preferida de la invencion, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es un ejemplo de seccion transversal de soldadura entre dos placas metalicas. La placa tiene 6 mm de grosor. Se muestra una moneda de 1 £ para comparar tamanos.

La figura 2a) es un diagrama esquematico que define las coordenadas y muestra la posicion de un ejemplo de defecto de orificio en la placa de acero soldado. b) Fotograffa de un orificio de fondo plano de 3 mm de profundidad y 20 mm de diametro situado junto a la soldadura.

La figura 3 es una fotograffa que muestra el montaje de un transductor simple en el borde de una placa de acero.

La figura 4a) muestra la velocidad de fase calculada para una placa de acero de 6 mm de grosor. b) Velocidad de grupo para una placa de acero de 6 mm de grosor.

La figura 5 muestra la comparacion predicha de ecos de rafagas de tonos de 5 y 10 ciclos a 200 kHz, despues de una propagacion de 4 m (por ejemplo, un borde de placa, en modo de eco de pulsos).

La figura 6 muestra formas de modo calculadas para el modo So a 200 kHz en una placa de acero de 6 mm de grosor.

La figura 7 es un diagrama esquematico de una prueba inicial, en un ejemplo de la invencion, que define la posicion de la soldadura, la posicion del orificio de fondo plano, junto con las posiciones aproximadas del transductor simple montado en el borde.

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La figura 8 muestra las trazas de tiempo registradas en funcion del tamano del orificio para la disposicion de la figura 7, con el transductor simple montado en el borde, alejado de la soldadura. El diagrama pequeno en la parte inferior muestra la posicion del transductor (flecha roja). Rafagas de tonos de 10 ciclos, 200 kHz.

La figura 9 muestra, para otra prueba, las trazas de tiempo registradas en funcion del tamano del orificio para el transductor simple montado en el borde, cerca de la soldadura. El diagrama pequeno en la parte inferior muestra la posicion del transductor (flecha). El transductor genera una rafaga de tonos de 10 ciclos a 200 kHz.

La figura 10 muestra trazas de tiempo mas detalladas, registradas junto a la soldadura, en funcion de la posicion del transductor simple montado en el borde, generando una rafaga de tonos de 200 kHz, 10 ciclos. El diagrama esquematico pequeno muestra un ejemplo de las posiciones del transductor (flechas rojas). x = 1000 define la posicion de la soldadura. Orificio de 6 mm.

La figura 11 muestra trazas de tiempo detalladas, registradas junto a la soldadura, en funcion de la posicion para el transductor simple montado en el borde, generando rafagas de tonos de 200 kHz, 20 ciclos. Orificio de 6 mm -por lo ademas, la configuracion es similar a la de la figura 10.

La figura 12 es una traza de tiempo detallada, registrada para el transductor simple montado en el borde, situado en la soldadura en el extremo opuesto de la placa -por lo ademas, la configuracion es similar a la rafaga de tonos de 20 ciclos a 200 kHz de la figura 11. El diagrama esquematico muestra la posicion del transductor en x = 1000 y = 2000 (flecha).

La figura 13 es un diagrama esquematico que muestra la posicion de otro orificio de fondo plano de 2 mm y el transductor (indicado por la flecha roja en x = 1000 y = 0).

La figura 14 muestra trazas, que comparan la utilizacion de transductores Ultran y Panametrics utilizando diversas frecuencias, ganancias y ciclos de rafagas de tonos. Transductores situados en x = 1000, y = 0.

Figura 15. Resumen de senales reflejadas medidas utilizando un transductor simple. Se muestran asimismo ajustes lineales y extrapolaciones para indicar el tamano de orificio detectable mmimo predicho probable, en base a los niveles de ruido coherente indicados.

La figura 16 muestra curvas de dispersion para una soldadura de acero de 8 mm de grosor, que se utiliza en este ejemplo. Se muestra el punto de funcionamiento a 200 kHz. a) Velocidad de fase, b) Velocidad de grupo.

Descripcion de la realizacion preferida

En una realizacion preferida, una onda de Lamb So es guiada de forma natural a lo largo de un cordon de soldadura que actua como grna de onda, proporcionando un procedimiento muy sensible para la deteccion de defectos de tipo corrosion en la soldadura, o en la zona afectada por el calor adyacente a la soldadura. El ejemplo descrito a continuacion ha mostrado un modo de funcionamiento de grnas de onda en el que una onda de Lamb simetrica fundamental (S0) se propaga a lo largo de la soldadura. Este modo se genero utilizando en la placa un transductor de inmersion montado en el borde. Los resultados se pueden resumir como sigue:

- Fue posible detectar facilmente un orificio de fondo plano de 2 mm de profundidad, 20 mm de diametro, que representa un defecto de soldadura, a una distancia de 1 m utilizando un transductor amortiguado, excitacion de 20 ciclos y una frecuencia de 161 kHz. En base a estos resultados, se predijo que la profundidad minima detectable para un orificio de fondo plano de 20 mm de diametro era probablemente de unos 0,3 mm. Esto representa aproximadamente el 5% de grosor de la placa. Se consiguio esta sensibilidad debido al bajo nivel de ruido de fondo coherente y a la naturaleza del funcionamiento de la grna de onda. Por lo tanto, se pueden detectar defectos muy pequenos provocados por corrosion, imperfecciones de soldadura, etc.

- Se midio un coeficiente bajo de atenuacion para la propagacion en el interior de la grna de onda. Esto implico que sena posible la deteccion sobre muchos metros.

- Dado que el modo So es guiado de manera preferente en la soldadura, es probable que la interferencia procedente de otros modos, tales como los modos fundamentales antisimetrico y de cizalla A0 y SH0, sea pequena. Esto da lugar a un bajo nivel de ruido de fondo coherente.

- La excitacion del modo de grna de onda fue posible a traves de la propia zona de soldadura, o bien en zonas alejadas a una distancia de ~A (aproximadamente a la distancia de una longitud de onda -unos 50 mm), gracias a la onda evanescente que existe fuera del cordon de soldadura.

- La deteccion de defectos puede estar limitada a la soldadura y la zona afectada por el calor a distancias alejadas ~A de la soldadura, debido a la onda evanescente que existe fuera del cordon de soldadura. A 200 kHz es probable que esta sea de ~ 50 mm de distancia.

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El ejemplo descrito en este caso evalua la posibilidad de discriminar y detectar un defecto de tipo corrosion, en una zona de soldadura utilizando ondas de Lamb So. Mediciones iniciales no optimizadas con un transductor simple montado en el borde mostraron una propagacion preferencial, en las gmas de onda, del modo So a lo largo de la soldadura. Esta surgio, de manera muy significativa, como resultado del mayor grosor de la soldadura con respecto a la placa circundante. Este modo de prueba tuvo como resultado una reduccion del eco parasito inherente, con un nivel de ruido coherente de aproximadamente -39db con respecto al borde de la placa. Esto permitio la facil deteccion de un orificio de fondo plano (que representa un defecto) de 2 mm de profundidad, 20 mm de diametro, a una distancia de 1 metro, utilizando una excitacion de rafagas de tonos de 20 ciclos a una frecuencia de 161 kHz. Se predijo que en la profundidad minima detectable utilizando este modo de gma de onda para un orificio de fondo plano de 20 mm de diametro era probablemente de aproximadamente 0,3 mm a una distancia de muchos metros.

EJEMPLO

Una muestra de prueba se compuso de dos placas de acero de calidad DH de 1 m x 2 m x 6 mm de grosor soldadas a tope juntas, para proporcionar una placa de prueba acabada de 2 m cuadrados con una soldadura por la mitad. La placa se suministro con ambos lados pintados y tema un cordon de soldadura, tal como se muestra en la figura 1. La configuracion de la soldadura fue: borde de placa cortado con laser, recto, soldado sin separacion, con hilo de soldadura de 3,2 mm de diametro en posicion vertical, contra una baldosa de soporte, con una entrada de calor de 2,38 kJmm.

Se formo un orificio de fondo plano de 20 mm de diametro a una distancia de 1,5 m desde el borde inferior. Este se taladro utilizando una broca sujetada magneticamente. Las profundidades de los orificios fueron de 0,98 mm, 2,17 mm, 3,0 mm y 3,85 mm, y el grosor transversal del orificio de 6 mm, situado en una zona adyacente a la soldadura. Las coordenadas de la placa y la posicion del orificio con respecto a la soldadura y los bordes de la placa se muestran esquematicamente en la figura 2a. La figura 2b muestra una fotograffa del orificio creado junto a la soldadura despues de la perforacion a una profundidad de 3,0 mm.

El equipo necesario para adquisicion de datos y mediciones con un solo transductor comprendio un transductor de inmersion de un solo elemento (un transductor Ultran de 200 kHz o un Panametrics de ancho de banda de 100 kHz a 500 kHz) montado en el borde sobre la placa de acero, acoplado utilizando un acoplador de gel. La excitacion y la recepcion fue mediante un generador de impulsos receptor "Wavemaker duet", con visualizacion de forma de onda y digitalizacion por medio de un osciloscopio de almacenamiento digital LeCroy 9400 A. El almacenamiento de formas de onda se realizo por medio de una interfaz IEEE a un PC independiente utilizando un paquete de software de colecciones de formas de onda. La figura 3 muestra el transductor montado en el borde sobre la placa de acero de la figura 1, mediante una disposicion de sujecion mecanica a modo de ejemplo que comprende pinzas de papelena y una goma elastica.

Las velocidades de fase y de grupo calculadas para una placa de acero de 6 mm de grosor se muestran en las figuras 4a) y 4b) respectivamente. La velocidad de fase se refiere a la velocidad con la que los planos de igual fase, crestas o valles, se propagan a traves del medio. Cabe recordar que una serie de ondas de frecuencias, longitudes de onda y velocidades diferentes se pueden superponer para formar un grupo, que se propaga con una velocidad conocida como la velocidad del grupo. Por supuesto, un grupo este tipo se podna dispersar con el tiempo debido a que la velocidad de onda de cada componente sena diferente. La importancia de la velocidad de grupo consiste en que es la velocidad con la que se transmite la energfa en el grupo de ondas, y en la aplicacion utilizada en este caso, representa la velocidad con la que se pueden observar "ecos" reconocibles a partir de reflexiones desde los orificios de fondo plano.

Haciendo referencia a continuacion a la figura 16, esta muestra curvas de dispersion para una soldadura de 8 mm de grosor, e indica el efecto de grna de onda que se produce en el interior de la soldadura, principalmente debido a que esta es mas gruesa que la placa, y por lo tanto la velocidad de fase en la placa es mayor que en la soldadura. Esto tiene como resultado la reflexion interna total en el interior de la soldadura, de manera analoga a lo que se encuentra en las gmas de onda opticas. Ademas, se propaga una onda evanescente en una zona adyacente a la soldadura, con una amplitud que decae exponencialmente con la distancia desde la soldadura, con una distancia caractenstica determinada por la longitud de onda. La eficacia con la que la onda es guiada dependera en parte de la medida en que la velocidad en la placa es menor que en la soldadura, lo que viene determinado por la diferencia en grosores, modulos y densidades.

Los graficos de la figura 4 y la figura 16 que muestran la velocidad de fase frente a la frecuencia se pueden representar de manera mas general como graficos de velocidad frente al producto frecuencia/grosor. De manera que, por ejemplo, se obtendna el mismo punto en el grafico utilizando una frecuencia de 166 kHz y un grosor de 6 mm, que con una frecuencia de 125 kHz y un grosor de 8 mm. Por lo tanto, a la misma frecuencia de funcionamiento de, digamos, 160 kHz, esto implica un producto frecuencia grosor para la placa de 6 mm de ~1 MHz-mm y de ~1,3 MHz-mm para la soldadura de 8 mm. Tomando esta lectura de la curva de dispersion, esto implica una velocidad mayor para el material de la placa de menor grosor, que para la soldadura. Por lo tanto, una pendiente negativa para la curva de velocidad de fase es importante para determinar que, para una frecuencia dada, la velocidad de la soldadura es entonces menor que en el material, mas delgado, de la placa.

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Es posible asimismo contemplar la situacion opuesta si la soldadura fuera mas delgada que la placa circundante, en cuyo caso la condicion necesaria sena entonces que se requiere una pendiente positiva en la curva de dispersion.

La eficacia con la que la onda es guiada en el interior de la soldadura dependera parcialmente asimismo de la monocromaticidad del paquete de ondas. De este modo, por ejemplo, aunque se produce una mayor diferencia de velocidades a 200 kHz que a 160 kHz, que tiene como resultado un guiado mas eficaz, esto se vera compensado por el requisito de una mayor monocromaticidad como resultado del aumento en la dispersion, tal como se muestra en la curva de velocidad de grupo a 200 kHz (ver la figura 16b). Ademas, es probable asimismo que la eficiencia de la grna de onda este influida por cambios en la geometna de la soldadura.

Una consecuencia de las pendientes de las curvas de dispersion de la velocidad de fase mostradas en la figura 16a es que solamente S0 sera guiada en el cordon de soldadura, en el rango de frecuencias utilizado en este caso. Esto se debe a que la pendiente para A0 es positiva con respecto al aumento de grosor, y a que para S0 no esta influida por el grosor. Esto significa de hecho que se producira para S0 una mayor pureza del modo a medida que se produce la propagacion a lo largo de la soldadura, con una menor influencia de los ecos parasitos provocados por los otros modos A0 y SH0.

La fuente de excitacion "Wavemaker" utilizada en este caso, podfa proporcionar rafagas de tonos en ventanas de Hanning que comprendfan un numero de ciclos seleccionable por el usuario, a una frecuencia particular. En la practica, se utilizaron en este caso rafagas de tonos de 5, 10 o 20 ciclos a entre 150 kHz y 200 kHz. Observando a partir de la figura 4b) que la velocidad de grupo a 200 kHz para el modo S0 cambia muy rapidamente en funcion de la frecuencia, entonces el paquete de ondas mas corto, que tendna un ancho de banda mayor, tendna como resultado una dispersion mayor que un paquete de ondas mas largo, que tendna un ancho de banda menor, y por lo tanto menor dispersion. En las figuras 5a) y 5b) se muestra respectivamente un ejemplo que muestra el resultado de la dispersion de una rafaga de tonos de 5 ciclos y de 10 ciclos, para una frecuencia central de 200 kHz, y una distancia de propagacion de 4 m en una placa de acero (por ejemplo, un pulso reflejado desde el borde de la placa, de la placa de 2 m cuadrados). Existe claramente un compromiso entre el deseo de aumentar la longitud del pulso para impedir la dispersion y la reduccion en la amplitud, y el requisito de mantener el pulso tan corto como sea posible para distinguir un eco de otro. Ademas, longitudes de pulso mas cortas con un ancho de banda mayor pueden asimismo tener como resultado la excitacion de modos de orden superior no deseados. Las formas de modo para el modo So a 200 kHz se muestran en la figura 6. Esta muestra la amplitud relativa para el desplazamiento en plano y fuera del plano de la placa de acero. Se puede observar que para este modo el desplazamiento en el plano, tal como se ha indicado anteriormente, es mucho mayor que el desplazamiento fuera de plano. Por lo tanto, el modo S0 debe ser el preferido para mediciones, por ejemplo, en un deposito en el que la vibracion puede ser absorbida por el lfquido almacenado en el interior del deposito.

En una prueba inicial, se realizaron mediciones de un solo transductor de pulso/eco a 200 kHz, en las posiciones mostradas en la figura 7. Estas se realizaron en el estado inicial de la placa sin ningun orificio presente, y asimismo en funcion del tamano del orificio. La figura 8 muestra el resultado de esta prueba en forma de tfpicas trazas de tiempo registradas en funcion del tamano del orificio, lejos de la zona de soldadura, con el transductor situado en la parte inferior de la placa en la posicion x = 1300, y = 0, mirando en una direccion paralela a la lmea de soldadura. La lmea de soldadura esta situada en x = 1000. El borde superior de la placa, que se ve en la figura 8, fue visible claramente como una gran reflexion en un tiempo de aproximadamente 800 ps despues de la excitacion inicial en el tiempo t = 0. Las senales entre el tiempo t = 0 y aproximadamente 200 ps (a la izquierda de la imagen) fueron debidas probablemente a reverberaciones producidas dentro de la sonda. No fue visible ninguna senal para ningun tamano de orificio que pudiera estar correlacionada con la posicion esperada del orificio de fondo plano.

En otra prueba, el transductor se monto cerca del extremo del cordon de soldadura. Los parametros de la rafaga de tonos se mantuvieron sin cambios. Los resultados se muestran en la figura 9. La figura 9 muestra una secuencia similar de ecos a la de la figura 8, mirando en una direccion paralela a la lmea de soldadura, pero registrados en cambio en una posicion adyacente a la soldadura para la posicion x = 1050, y = 0. Diferencias notables entre los resultados de la figura 8 y la figura 9 fueron la menor amplitud, los multiples picos, y una mayor extension de tiempo para reflexiones originadas en el borde superior de la placa, y asimismo el aspecto de las reflexiones que parecen ser las del orificio de fondo plano, que se producen aproximadamente a 600 microsegundos y antes del final de las reflexiones de la placa.

Dado que los resultados mostrados en la figura 9 paredan indicar muy senales grandes, que pareda indicaban la presencia del orificio cuando el transductor estaba situado junto a la soldadura, y no alejado de la soldadura, se obtuvo otra serie de resultados mas detallados en la zona de la soldadura. Hubo dificultad en el acoplamiento del transductor en este area debido a que la soldadura y los bordes adyacentes de la placa eran muy irregulares. Por lo tanto, la soldadura y el borde adyacente de la placa se limaron suavizandolos lo suficiente para proporcionar un acoplamiento razonable del transductor, y se obtuvieron resultados detallados aproximadamente a 100 mm a cada lado de la soldadura. La figura 10 muestra los resultados utilizando excitacion de 10 ciclos a 200 kHz mirando en una direccion paralela a la soldadura, y la figura 11 muestra una excitacion de 20 ciclos, mirando asimismo en la misma direccion. Cada traza de tiempo se refiere a un montaje espedfico del transductor en una posicion indicada por la coordenada x. El cordon de soldadura esta situado a x = 1000.

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La comparacion de las figuras 10 y 11 muestra niveles menores de ruido coherente, mayores amplitudes de senal y una discriminacion mas facil de distintas caractensticas de forma de onda cuando se utiliza excitacion de 20 ciclos. Esto se puede observar comparando las trazas de tiempo de la excitacion de 10 o 20 ciclos para reflexiones ya sea desde el orificio de 6 mm o desde el borde posterior de la placa. La inspeccion de la figura 11 muestra asimismo que el orificio de 6 mm fue claramente visible para posiciones del transductor entre aproximadamente x = 920, y = 0 y x = 1050, y = 0.

En la figura 11 estan comentadas caractensticas espedficas la forma de onda, correspondientes al orificio y al borde de la placa. En particular, esta muestra que la reflexion de la placa en el borde superior se produjo en dos posiciones discretas en el dominio de tiempo, es decir aproximadamente a t = 844 ps con propagacion a traves de la placa, y aproximadamente a t = 792 ps con propagacion adyacente a la soldadura. La reflexion desde el orificio de 6 mm se produce en una unica posicion de aproximadamente t = 625 ps. Observando que el trayecto total atravesado por las senales en el modo pulso-eco es el doble de la longitud de la placa, es decir 4 m, esto implica velocidades de aproximadamente 5050 ms-1 para la velocidad de grupo de la placa, lo cual es consistente con la curva de velocidad de grupo mostrada anteriormente en la figura 6b para la placa de 6 mm, y una velocidad de aproximadamente 4740 ms’ para la velocidad de grupo adyacente a la soldadura, que implica un grosor eficaz de aproximadamente 8 mm.

Observando que este grosor era proximo al grosor medio para la soldadura de aproximadamente 8 mm (ver la figura 1), y que la excitacion de la onda con la velocidad menor se produjo solamente dentro de ~50 mm desde la soldadura, es decir ~A a esta frecuencia, esto implica que la soldadura estaba actuando probablemente como una grna de onda. Ademas, observando que el orificio estaba situado a % de la distancia a lo largo de la longitud de la placa, y observando que el % de 844 ps fue 633 ps, es decir aproximadamente el retardo de tiempo que se observo para la reflexion desde el orificio, esto implica asimismo que el eco reflejado desde el orificio fue mediante el modo propagandose a lo largo de la grna de onda de la soldadura. Probablemente, el resultado mas importante a senalar en terminos de relaciones senal/ruido fue, sin embargo, que la amplitud del eco reflejado desde el orificio de 6 mm fue muy grande. Si se supone que el orificio tuvo solamente una influencia menor sobre la reflexion del borde posterior de la placa, entonces la reflexion del orificio de 6 mm fue de aproximadamente -12dB con respecto a la procedente de la reflexion del borde posterior de la placa.

La confirmacion de que la reflexion desde el orificio de 6 mm se origino de la manera descrita, se obtuvo colocando el transductor en el extremo opuesto de la soldadura, en la posicion x = 1000, y = 2000. La traza de tiempo se muestra en la figura 12 para una excitacion de 20 ciclos a 200 kHz. La reflexion del orificio de 6 mm, a una amplitud de aproximadamente -10dB con respecto a la reflexion de la pared posterior de la placa, se indica en la figura 12 y se produce aproximadamente a 210 ps, es decir aproximadamente en % de la longitud de la placa. Observando la diferencia en amplitud entre la reflexion a la distancia de % y la reflexion a la distancia de % para el orificio de 6 mm, y suponiendo que la reflexion del borde de la placa en ambos extremos era la misma, fue posible asimismo estimar que habfa una perdida aproximada de solamente 2 dB sobre una distancia de propagacion total de 2 m.

Se taladro otro orificio de fondo plano de 2 mm de profundidad junto a la soldadura, a medio camino a lo largo de la longitud de la placa en una posicion mostrada en la figura 13. Ademas, se aprovecho asimismo la oportunidad para desarrollar un estudio limitado sobre la optimizacion de la sonda y de la frecuencia cuando se utiliza un transductor simple montado en el borde. Los resultados se obtuvieron utilizando tanto el transductor "Ultran" de 200 kHz existente, como asimismo un transductor "Panametrics" de banda ancha mejor amortiguado, con un ancho de banda comprendido entre 100 kHz y 500 kHz. Se obtuvieron resultados solamente cuando se montaron en la soldadura en una posicion x = 1000 y = 0. Estos se muestran en la figura 14. La inspeccion de la figura 14 mostro que las senales de maxima amplitud con mmimo ruido coherente se obtuvieron para el transductor Panametrics a 161 kHz utilizando una excitacion de 20 ciclos, con escasa evidencia de senales parasitas significativas producidas en la traza de tiempo hasta la reflexion desde el borde posterior de la placa. En este caso, si se descuentan las reverberaciones iniciales del transductor entre el tiempo t = 0 y aproximadamente el tiempo t = 300 ps, entonces las relaciones senal/ruido tanto para el transductor Ultran existente a 200 kHz como para el transductor Panametrics a 161 kHz, utilizando una excitacion de 20 ciclos, fueron:

Transductor Panametrics 161 kHz, 20 ciclos

Orificio de 6 mm = -15,5 dB, orificio de 2 mm = -22dB, nivel de ruido coherente = -39dB

Transductor Ultran 200 kHz, 20 ciclos

Orificio de 6 mm = -12 dB, orificio de 2 mm = -19dB, nivel de ruido coherente = -30dB

Estos resultados estan resumidos, junto con resultados existentes de un comprobador de placas de la tecnica anterior, en el grafico mostrado en la figura 15. Cabe senalar que los niveles de senal del transductor simple para el orificio de 2 mm tanto a 161 kHz como a 200 kHz se han reducido en 1 dB para proporcionar la misma posicion equivalente que para el orificio de 6 mm. Este ajuste se baso en la perdida medida anteriormente utilizando distancias en la placa de % y %. La figura 15 muestra asimismo los resultados de un ajuste aproximado de una lmea de regresion lineal a un promedio de resultados de 200 kHz y 161 kHz. Esto se ha extrapolado para proporcionar un tamano predicho del orificio, en base a un nivel de ruido coherente de -39 dB.

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Cabe destacar que debido a que la sonda Panametrics no proporciono senales parasitas observables, y proporciono un nivel de ruido coherente de -39 dB con respecto a la reflexion en el borde de la placa utilizando excitacion de 20 ciclos a 161 kHz, esto implico una prediccion del lfmite de deteccion de la profundidad del orificio de 0,3 mm (asumiendo la validez de la extrapolacion lineal que se muestra en la figura 15). Esto representana un lfmite de deteccion de tan solo el 5% del grosor de la placa.

Este ejemplo muestra que un modo de onda de Lamb So guiado de manera natural a lo largo de la soldadura es el procedimiento mas sensible para la deteccion de defectos de tipo corrosion en soldaduras con la geometna utilizada en este caso, o en la zona afectada por el calor adyacente a la soldadura. Este ejemplo se limita a la utilizacion de orificios de fondo plano como indicadores utiles de la sensibilidad a posibles defectos de tipo corrosion. En la practica, es probable que los defectos de corrosion reales se desvfen de esta geometna idealizada, y sea necesario considerar asimismo otras geometnas, por ejemplo, corrosion de tipo lineal junto a la soldadura. La detectabilidad de los defectos para defectos de tipo lineal dependera de la profundidad, de la seccion transversal subtendida con la onda incidente de interrogacion, del tipo de modo y asimismo de la posicion con respecto a otras caractensticas, por ejemplo, la propia soldadura.

El diseno funcional y el desarrollo de un transductor espedfico de tipo grna de onda se simplifica considerablemente, debido a que el modo de funcionamiento de grna de onda no requiere orientacion ni enfoque del haz, ni por lo tanto grandes transductores de multiples elementos. Un transductor espedfico tendra factores de diseno tales como el tipo de transductor, por ejemplo de excitacion electromagnetica o piezoelectrica, el tamano del transductor, el acoplamiento y la influencia de las capas de pintura y de la rugosidad superficial sobre la transduccion, y, la repetitividad y la fiabilidad de la transduccion en presencia de ecos parasitos.

Dado que otros modos de orden superior tales como Ai o Si presentan asimismo en las curvas de dispersion de la velocidad de fase una pendiente negativa con el aumento del grosor, es posible asimismo que esto pueda servir tambien como un medio util para una inspeccion detallada, en particular debido a su mayor frecuencia. Ademas, aunque en este caso se ha hecho enfasis en la utilizacion del procedimiento de grna de onda para detectar corrosion en la soldadura y en la zona afectada por el calor, el modo de grna de onda descrito en la presente memoria puede ser adecuado asimismo como una alternativa a procedimientos radiograficos para la inspeccion de la soldadura per se.

La excitacion y recepcion con un transductor simple de modos de onda de Lamb So por medio de la grna de onda ofrecida por la soldadura, ofrece un procedimiento muy prometedor para deteccion de corrosion en la zona afectada por el calor y para la inspeccion de la soldadura, con el potencial de deteccion de pequenos defectos de tipo corrosion y defectos de soldadura, probablemente sobre distancias de muchos metros.

Claims (18)

1. 5

   10

   15

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   REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento de deteccion de defectos en una estructura metalica soldada, que comprende sujetar o fijar de otro modo un transductor ultrasonico en, o junto a un cordon de soldadura, y emitir senales de ondas de Lamb ultrasonicas, de tal modo que las senales se propaguen a lo largo del cordon de soldadura que actua como una grna de onda, y detectar reflexiones de la senales guiadas, procedentes de la grna de onda, que pueden ser indicativas de defectos en el interior del cordon de soldadura, o adyacentes al mismo.
2. 2. Un procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que dichas senales ultrasonicas se transmiten como ondas en modos de vibracion de placa.
3. 3. Un procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, en el que dichas senales ultrasonicas se transmiten en un unico modo de transmision.
4. 4. Un procedimiento segun la reivindicacion 3, que incluye determinar previamente, mediante calculo u observacion, una frecuencia de funcionamiento en la que el cordon de soldadura actuara como una grna de onda para solamente un unico modo de transmision.
5. 5. Un procedimiento segun la reivindicacion 4, que incluye determinar dicha frecuencia de funcionamiento considerando la variacion de la velocidad de fase de los modos de transmision con la frecuencia.
6. 6. Un procedimiento segun la reivindicacion 2 y 3, en el que dicho modo de transmision comprende un modo simetrico de una onda de Lamb.
7. 7. Un procedimiento segun la reivindicacion 2 y 3, en el que dicho modo de transmision es el modo simetrico fundamental de la onda de Lamb.
8. 8. Un procedimiento segun cualquier reivindicacion anterior, en el que dichas senales ultrasonicas comprenden un pulso.
9. 9. Un procedimiento segun la reivindicacion 8, en el que el pulso comprende por lo menos una rafaga de tonos de entre 5 y 20 ciclos de longitud.
10. 10. Un procedimiento segun la reivindicacion 7 o 8, en el que el pulso esta conformado para reducir el ancho de banda de la frecuencia.
11. 11. Un procedimiento segun la reivindicacion 10, en el que el pulso tiene la forma de una ventana de Hanning.
12. 12. Un procedimiento segun cualquier reivindicacion anterior, en el que dicha estructura metalica soldada comprende por lo menos una placa metalica, extendiendose dicho cordon de soldadura a lo largo de un borde de la misma.
13. 13. Un procedimiento segun la reivindicacion 12, en el que el transductor esta montado en el borde de una placa metalica en la que esta situado el cordon de soldadura.
14. 14. Un procedimiento segun la reivindicacion 12, en el que el transductor esta montado en la superficie de una placa metalica junto al cordon de soldadura.
15. 15. Un procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que el transductor esta sujeto magneticamente o sujeto mecanicamente a una placa metalica.
16. 16. Un procedimiento segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el transductor es operativo para detectar senales recibidas.
17. 17. Un procedimiento segun la reivindicacion 16, que incluye medios de transceptor para proporcionar una senal de excitacion al transductor, y para procesar senales recibidas del mismo.
18. 18. Un procedimiento segun cualquier reivindicacion anterior, que comprende emplazar el transductor dentro de aproximadamente una longitud de onda de las senales ultrasonicas hasta el cordon de soldadura, para acoplar energfa en el cordon de soldadura gracias a una onda evanescente, y detectar senales dentro de dicha una longitud de onda.