Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Die Ultraschallprüfung hat sich zu einer bewährten Methode für die Beurteilung von Rohmaterialien, Halbzeugen und Fertigprodukten entwickelt. Insbesondere bei der automatischen Prüfung ist eine möglichst hohe Prüfgeschwindigkeit unabdingbar bei gleichzeitig hoher Prüfdichte. Diese Anforderungen lassen sich durch den Einsatz von Phased Array Prüfköpfen in vielen Fällen erfüllen.
Zwar sind diese Gruppenstrahler seit geraumer Zeit bekannt, jedoch sind ihre technisch anspruchsvolle Anwendung und die hohen Preise Gründe dafür, daß sie nicht weiter in der Industrie verbreitet sind. Der Trend zu immer kleineren, weniger kostspieligen und gleichzeitig leistungsfähigeren Elektroniken hat mittlerweile dafür gesorgt, daß die Gruppenstrahler in der industriellen Anwendung wirtschaftlich einsetzbar sind.
Ein Array ist im Prinzip ein großer Einzelschwinger, der durch Schneiden in viele schmale Elemente unterteilt wurde - wie Abbildung 1 zeigt. Typische Elementbreiten reichen von 0,5 mm bis ca. 2,5 mm. Andere Abmessungen sind natürlich auch möglich. Weiterhin gibt es Ring-Gruppenstrahler - runde Schwinger, aufgeteilt in konzentrisch geformte Einzelelemente (Abb. 2).
Abb 1 und 2: Elemente eines Zeilenschwingers und eines Ringschwingers.
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Abb 3 und 4: Zeitverzögerte Anregung und Wellenfront für Winkeleinschallung .
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Abb 5 und 6: Zeitverzögerte Anregung und Wellenfront für Fokussierung .
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Ein Array-Prüfkopf enthält typischerweise 16, 32, 64, 128 oder 256 einzelne Elemente, die in einem Gehäuse mit einer entsprechenden Anzahl von miniaturisierten Sender-Vorverstärker-Elektroniken verbunden sind. Hiermit kann man die einzelnen Schwingerelemente zeitlich leicht versetzt anregen, um so das Schallfeld in eine bestimmte Richtung zu schwenken und / oder in einer bestimmten Tiefe zu fokussieren. Abb. 3 und 4 zeigt, wie durch eine zeitlich linear versetzte Anregung der Einschallwinkel geändert werden kann, während Abb. 5 und 6 die durch eine zeitlich quadratisch versetzte Anregung bewirkte Fokussierung des Schallfeldes verdeutlicht.
Ein wesentlicher Vorteil von Gruppenstrahlern ist deren Fähigkeit, ein Ultraschallbündel dynamisch zusammenzusetzen. Dadurch erhält man einen Prüfkopf mit einer Vielzahl von Einschallwinkeln und Fokustiefen, die mit der Taktfrequenz der Ultraschallelektronik geändert werden können. Ferner kann durch die Auswahl der jeweils anzusteuernden Anzahl von Array-Elementen die Größe des aktiven Schwingers von Impuls zu Impuls geändert werden, was eine zusätzliche Variation der Schallfeldeigenschaften zuläßt (Abb. 6).
Bei einem Array mit 128 Elementen kann man z.B. 16 Elemente zu einer Schwingergruppe zusammenfassen, deren Schallfeld mit der entsprechenden Zeitverzögerung dynamisch fokussiert und / oder geschwenkt wird. Diese Gruppe kann dann schrittweise in Längsrichtung des Arrays um 1 oder mehrere Elemente versetzt werden, so daß zusätzliche eine lineare Verschiebung des Schallfeldes über die gesamte Arraylänge erfolgt( Abb. 7).
Abb 6: Schallbündelform bei 1, 4 und 10 synchron angesteuerten Elementen.
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Abb 7: Lineare Abtastung mit einer Gruppe aus 2 Elementen.
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| Frequenz: | 1 bis 10 MHz |
| Schwingermaterial: | 1-3 Piezo-Composite-Keramik Schwingerlänge < 125 mm |
| Elementbreite: | > 0,25 mm |
| Betriebsart: | Linear Abtasten / Schwenken, Fokussieren Konkav bis 360°, Krümmungsradius > 12 mm Konvex bis 180°, Krümmungsradius > 14 Ringarray SE-Arrays |
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Anzahl der Elemente: | Bis 128 Elemente mit 1 Kabel Mehr als 128 Elemente mit seperatem Kabel |
| Signalform / Auflösung | Bandbreite ca. 75% (typisch) Dicke > 2 mm @ 5 MHz Reflektor KSR 1,6 mm > 6 mm Tiefe @ 5 MHz (stark abhängig von der Konfiguration) Übersprechdämpfung ca. 25 dB |
| Tabelle 1: Technische Daten | |
Die technischen Daten für mögliche Array-Konfigurationen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Optimale Eigenschaften werden durch die Verwendung von Schwingern aus Piezo-Composite-Keramik erzielt, wie sie bei uns zur Verfügung stehen. Die verwendete 1-3-Piezo-Composite-Keramik (Abb. 8) ergibt Arrays mit gleichzeitig guter Bedämpfung und hoher Signalamplitude.
Abb 8: 1-3-Composite- Wandler schematisch.
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Durch die oben beschriebenen Eigenschaften der Gruppenstrahler-Technik ergeben sich wesentliche Vorteile bei deren Einsatz in automatischen Prüfanlagen:
| Array-Technik | Vorteile | ||||||
Insgesamt ergibt sich ein erhöhter Automatisierungsgrad durch reduzierten mechanischen Prüfkopfhalterungs- und Einstellaufwand beim Umstellen auf Prüfobjekte mit anderen Dimensionen. Durch dynamisches Schwenken und Fokussieren des Schallbündels lassen sich Bereiche prüfen und Fehler erfassen, die mit konventioneller Prüftechnik nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.
4.1. Rohrprüfung
In einer automatischen Anlage zur Prüfung längsgeschweißter Rohre werden 2 Array-Prüfköpfe verwendet (Abb. 9). Diese sind als Segmente ausgebildet und radial zum Rohr und symmetrisch zum Schweißnahtbereich angeordnet, so daß ein Prüfkopf im wesentlichen von einer Seite und der zweite Prüfkopf im
wesentlichen von der anderen Seite in die Schweißnaht einschallt. Die Prüfköpfe sind direkt mit der Sender-Vorverstärker- und Multiplex-Elektronik verbunden, die sich im Gehäuse oberhalb des Rohres befindet (Abb. 10). Die eigentliche Auswerte- und Ansteuer-Elektronik kann dann über z.B. 30 m lange Kabel mit der Vor-Ort-Elektronik verbunden sein und in der Betriebswarte stehen. Die Schallfelder der beiden Array-Prüfköpfe werden dynamisch geschwenkt und fokussiert, um so eine optimale Fehlerprüfung und Wanddickenmessung zu realisieren (Abb. 11).
4.1.1. Fehlerprüfung
Da die Fehlerprüfung von beiden Nahtseiten durchgeführt werden muß, sind zwei 90°-Arrays hintereinander angeordnet, von denen eines im Uhrzeigersinn, das andere entgegen dem Uhrzeigersinn einschallt (Abb. 9). Die Prüfanlage erlaubt den automatischen Betrieb bei verschiedenen Rohrdurchmessern, ohne daß die Prüfköpfe mechanisch nachgestellt werden müssen. Allein die elektronische Einstellung von Gruppengröße, Schrittweite, Schwenkwinkel und Fokussierung ist ausreichend, um die Prüfung von verschiedenen Rohrdurchmessern durchzuführen. Damit entfällt die relativ komplizierte Prüfkopfverstellung bei Abmessungswechsel. Hieraus ergibt sich nicht nur eine minimale Umrüstzeit, sondern auf Grund der rein elektronischen Einstellung auch ein reproduzierbares Prüfergebnis. Bei dieser Anwendung kommen alle vorher beschriebenen Gruppenstrahler- Funktionen zum Einsatz:
Abb 9: Radial angeordnete Array-Prüfköpfe zur Prüfung längsgeschweißter Rohre.
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Abb 10: ERW-Schweißnahtprüfung mit Vor-Ort-Elektronik.
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Der Einsatz der Array-Technik für die Nahtprüfung an widerstandsgeschweißten Rohren erlaubt die Realisierung von Prüfmechaniken mit kurzer Baulänge, die deshalb auch nachträglich in vorhandene Linien eingebaut werden können.
4.1.2. Wanddickenmessung
Neben den vorher beschriebenen Fehlerprüfmethoden ist die Wanddickenmessung ebenfalls eine Anwendung der Array-Technik zur Qualitätskontrolle von widerstandsgeschweißten Rohren. Die Messung ist üblich zur Überwachung von Position und Arbeitsweise des Schabewerkzeugs, das den inneren Schweißgrat des Rohres abarbeitet. Der Array wird fokussiert und linear getaktet, um die Wanddicke der Rohre zu messen. Die Ergebnisse werden ausgewertet und als C-Bild und B-Bild der Schweißzone mit den Dickenmeßwerten dargestellt.
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Abb 11: Dynamisches Schwenken und Fokussieren.
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4.2. Stangenprüfung
Bei der automatischen Stangenprüfung auf Kernfehler und oberflächennahe sowie Oberflächenfehler werden typischerweise 2 Array-Prüfköpfe mit halbkreisförmig gebogener Schallaustrittsfläche (180°-Arrays) verwendet (Abb. 12). Jeder Prüfkopf hat 128 Elemente, von denen jeweils 16 gleichzeitig angeregt werden können und so den virtuellen Prüfkopf bilden. Die Ultraschallankopplung wird durch einen rotierenden Wassermantel bewirkt, der sich in der Prüfkammer zwischen Prüfkopf und Stange ausbildet.
Abb 12: 180°-Array zur Stangenprüfung.
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Durch die serielle Anregung von jeweils 16 Elementen kann ein rotierender Schallstrahl erzeugt werden, ohne daß Prüfkopf oder Stange mechanisch gedreht werden müssen. Die Anlage mit den Phased-Array-Prüfköpfen enthält daher keine beweglichen Teile. Allein durch die Ansteuerelektronik kann das Schallfeld des Arrays an die Anforderungen angepaßt werden: Fokussiertes, senkrecht oder unter einem Winkel einfallendes Schallbündel.
Bei Dimensionswechsel sind auch bei der Stangenprüfung kurze Umrüstzeiten ein besonderer Vorteil der Array-Technik. Es ist keinerlei mechanische Neueinstellung der Prüfköpfe erforderlich, da alle Einstellungen elektronisch durch Abruf der gespeicherten Parameter erfolgen können.
4.3. Prüfung von Radsatzwellen
Bei der Instanthaltungsprüfung von in Betrieb befindlichen Radsatzwellen bringt der Einsatz von Array-Prüfköpfen besondere Vorteile. Zum einen ist der zur Ankopplung zur Verfügung stehende Achsbereich durch den Radsitz und Bremsscheibensitz sehr eingeschränkt, so daß nur mit einem großen Bereich von Einschallwinkeln der an der Achse zu prüfende Bereich überdeckt werden kann. Zum anderen sollen sehr kurze Taktzeiten eingehalten werden, um einen hohen Durchsatz zu erzielen. Beides zusammen ist nur mit Array-Prüfköpfen erreichbar.
Abb 13: Prüfkopfanordnung bei der Prüfung von Radsatzwellen.
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Zum Einsatz kommen 3 MHz-Arrays mit jeweils 16 Elementen, von denen je 4 Stück pro Achse verwendet werden. Jeweils zum Achsende hin schallend sitzt je ein Prüfkopf zwischen Radsitz und Bremsscheibensitz (Pk 1 und 2 in Abb. 13) und hinter dem Bremsscheibensitz (Pk 3 und 4 in Abb. 13). Wegen der Übergangsradien zwischen Achse und Radsitz bzw. Bremsscheibensitz treten bei einigen Achstypen in Achsrichtung gekrümmte Ankoppelflächen auf. Die Ankopplung muß hier über entsprechend angepaßte Verschleißsohlen der Array-Prüfköpfe erfolgen, d.h. die Sohlen sind bidirektional gekrümmt. Bei einigen Achstypen ist ein dritter. Bremsscheibensitz in Achsmitte vorhanden. In diesem Fall können die Prüfköpfe 3 und 4 um 180° gedreht und in die Positionen 3a und 4a verschoben werden, so daß auch hier eine vollständige Prüfung ohne zusätzliche Prüfköpfe möglich ist.
An Beispielen aus der Praxis wird gezeigt, welche Vorteile der Einsatz von Phased Arrays mit sich bringt. Diese zeigen sich einerseits in einer hohen Prüfgeschwindigkeit bei gleichzeitiger kontinuierlicher Erfassung des gesamten Prüfvolumens und andererseits in einer flexiblen Anpassung der Prüfanlage an unterschiedliche Dimensionen des Prüfobjekts ohne zeitaufwendige mechanische Justierungen. Die Abtastung des Prüfstücks erfolgt in einer Richtung rein elektronisch, also ohne die bei der konventionellen Prüftechnik notwendige Bewegung von Prüfkopf oder Prüfstück. Durch elektronisches Schwenken und Fokussieren des Schallstrahls ist eine nahezu lückenlose Prüfung mit hoher Prüfempfindlichkeit möglich. Die Anwendung dieser Prüftechnik z.B. auf nahtlose oder geschweißte Rohre, für die Stangenprüfung auf Kernfehler und oberflächennahe Fehler oder für die Radsatzwellenprüfung bringt eine wesentliche Verbesserung in der Erfassung von Fehlstellen und damit eine höhere Prüfsicherheit.
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