Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Seit Beginn der industriell angewandten Ultraschallprüfung Anfang der 50er Jahre ist das Problem der Ultraschallprüfung an Eisenbahnachsen in den verschiedensten Formen gelöst worden [1 - 12]. Die heute noch häufig manuell durchgeführte Ultraschallprüfung an Eisenbahnachsen benötigt sehr viel Zeit und ist nur von erfahrenem Personal durchzuführen. Die modernen technischen Möglichkeiten, insbesondere die geräte- und prüfkopftechnischen Voraussetzungen für Ultraschallprüfungen mit elektronisch steuerbaren Schallfeldern und auch für die bildliche Darstellung von Prüfergebnissen bieten eine Fülle von neuen Ansätzen für dieses alte Problem. Daher wurden in der BAM auf Anregung des Forschungs- und Technologie-Zentrums Kirchmöser der DB AG (FTZ 72) Grundsatzuntersuchungen zur Anwendung der Gruppenstrahlertechnik für die Prüfung von Eisenbahnachsen durchgeführt. In der Folge sind dabei Lösungen sowohl für Vollachsen als auch für Achsen mit innerer Hohlbohrung konzipiert worden. über diese Versuche und deren erste Ergebnisse wird im Folgenden berichtet.
Die Aufgabenstellung ist im Bild 1 und 2 dargestellt, die eine Radsatzwelle mit Bremsscheiben und nachzuweisenden Testfehlern zeigen. Die 1 mm tiefen Sägeschnitte dienen als Modell für kleine Anrisse, deren frühzeitiger und sicherer Nachweis von der Prüftechnik erwartet wird.
Abb 1: Radsatz-Welle mit 2 Bremsscheiben.
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Abb 2: Postulierte Fehlerlagen an Radsatzwellen mit drei Bremsscheiben.
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In Bild 3 wird die grundsätzliche Problematik bei der Prüfung von Eisenbahnachsen mit Ultraschall vorgestellt. Man muss bei der Prüfung von Voll- und Hohlwellen mit prinzipiell drei Gruppen von Störanzeigen rechnen, wie in Bild 3 wiedergegeben.
Abb 3: Geometrie- und Presssitz-Anzeigen bei der Ultraschallprüfung an Eisenbahnwellen.
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Es kann Anzeigen von den verschiedenen Absätzen und Stufungen der Welle geben (1) und Anzeigen von Ultraschallwellen, die in die aufgepressten Naben von Rad- oder Bremsscheibe durch den Press-Sitz hindurchdringen und an der Geometrie der Naben reflektiert werden (2). Diese Anzeigen kommen meist mit längeren Schallwegen und stören daher bei einer Auswertung der A-Bilder mit zeitlich eng begrenzter Blende nicht mehr, wie es in Bild 6 dargestellt wird. Die dritte Gruppe von Störanzeigen kann von Unstetigkeitsstellen der Press-Sitz-Zone, bedingt durch Rillen oder Bohrungen in den Naben oder auch den Beginn oder das Ende der Naben erzeugt werden. Diese Störanzeigen liegen unmittelbar im Oberflächenbereich und können durch zeitliche Unterscheidung nicht von Fehleranzeigen getrennt werden. Sie haben aber, wie weiter unten noch gezeigt, zusätzlich zu ihrer festen Lage meist eine längere Ausdehnung in der bildlichen Darstellung und können so durch ihre Formcharakteristik von Fehleranzeigen getrennt werden.
Der Press-Sitz kann sich für den Fehlernachweis im Naben-Bereich negativ auswirken. So können z.B. Testfehler beim Aufpressen leicht verformt werden, was ihr Reflexionsverhalten verändert. Der stärkste Einfluss auf die Echohöhe ist aber meist mit dem Zustand der Reflektor nahen Press-Sitz-Flächen und deren akustischer Transparenz verknüpft, da Winkelspiegelanzeigen dadurch erheblich in ihrer Amplitude reduziert werden können. Bei in diesem Bereich entstehenden rissartigen Fehlern kann aber vermutet werden, dass in der Rissnachbarschaft auch durch den Vorgang der Rissbildung nicht mehr so starke Druckspannungen vorliegen, so dass der Winkelspiegeleffekt beim Nachweis wahrer Risse nicht so stark beeinträchtigt werden dürfte. Testfehler, bei denen diese Wirkung beobachtet wird, wären demnach als konservative Grenzfälle für den Rissnachweis zu betrachten. Die Empfindlichkeit der Prüfung sollte aber nicht an diesen Fällen orientiert werden, denn sie sind nicht reproduzierbar.
Die Wahl der Testfehler bei dem Nachweis von Fehlern in Vollwellen wurde daher auf 1mm tiefe Sägeschnitte in nicht akustisch belasteten Zonen festgelegt. Deren Nachweis gelingt ohne Schwierigkeiten mit der Gruppenstrahlertechnik, allerdings ist aus den genannten Gründen zu erwarten, dass derartige Testfehler im Press-Sitz unter den realen Bedingungen auch mal unter der Registrierschwelle liegen können.
Die für den Gruppenstrahler-Einsatz wichtigsten Möglichkeiten der Prüfung sind in Bild 4 angegeben.
Abb 4: Möglichkeiten der Ultraschallprüfung an Eisenbahnwellen.
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Bei Hohlachsen kann auf der Innenseite ein Prüfkopf in Achsrichtung bewegt werden. Wenn zugleich die Achse gedreht werden kann, wird dadurch eine Abtastung der Außenoberfläche auf mögliche Rissbildungen realisiert. Der Einschallwinkel kann bei Hohlachsenprüfungen auch auf einen festen Wert eingestellt werden, wenn die Unterscheidung zwischen Fehler und Formanzeigen durch eine bildliche Darstellung der Resultate unterstützt wird.
Bei der Vollwellenprüfung stehen für die Ankopplung von Ultraschall nur wenige Bereiche an einer Welle im vollbestücktem Zustand zur Verfügung. Beispiele für die Prüfkopfankopplung sind in Bild 4 wiedergegeben. Von diesen Bereichen aus können die zu überwachenden Zonen der Vollwelle nur mit verschiedenen Winkeln erreicht werden. Die Verwendung der Gruppenstrahlertechnik gestattet es, diese Winkel mit einem Prüfkopf in sehr feiner Staffelung - angepasst an die Problematik der Unterscheidung zwischen Formanzeigen und Fehleranzeigen - zu erzeugen. Die bei der Hohlwellenprüfung durch die achsparallele Bewegung des Prüfkopfes erzeugte Abtastung muss bei der Verwendung von Gruppenstrahlerprüfköpfen durch die Abtastung mit dem Winkelschwenk der Gruppenstrahlerprüfköpfe wie in Bild 5 dargestellt, ersetzt werden.
Abb 5: Staffelung der Einschallwinkel und Auswerteblenden am Beispiel der Vollwellen.
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Wenn man dann bei dem Abbilden der Befunde von der gegenüberliegenden Oberfläche nur eine sehr kurze Zeitspanne des erzeugten A-Bildes durch die Verwendung konturgeführter Auswerteblenden berücksichtigt, kann man erreichen, dass die Präsenz von Störanzeigen erheblich reduziert wird.
Die Gruppenstrahlertechnik gestattet im wesentlichen die im Bild 6 dargestellten Möglichkeiten der Schallfeldsteuerung, das sind:
Abb 6: Schallbündelsteuerung mit Gruppenstrahlern.
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Die gerätetechnische Voraussetzung ist ein mehrkanaliges Ultraschallgerät, das sowohl für den Sende- als auch für den Empfangsfall die Signale der einzelnen Elemente gegeneinander verzögern kann, wie es mit dem in Bild 7 gezeigneten Geräteschema (Bauart BAM-Krautkrämer) möglich ist.
Abb 7: Ultraschall-Elektronik eines Gruppenstrahler-Gerätes.
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In Bild 8 sind die Daten eines Gruppenstrahlerprüfkopfes wiedergegeben, mit dem Versuche zur Vollwellenprüfung mit einer Anordnung nach Bild 19 durchgeführt worden sind.
Abb 8: Gruppenstrahlerprüfkopf für Vollwellen.
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Die Richtcharakteristiken dieses Prüfkopfes für den wesentlichen Winkelbereich, der bei der Prüfung verwendet wird, zeigt das Bild 9
Abb 9: Richtcharakteristiken eines Gruppenstrahler-Prüfkopfes für die Ultraschallprüfung an Vollwellen.
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Für die Prüfung von Hohlwellen kann das Gruppenstrahlerkonzept ebenfalls gute Dienste leisten, wenn man eine andere Art von Gruppenstrahlern mit Bündelrotation durch ein Kegelarray einsetzt, wie es in Bild 10 gezeigt wird.
Abb 10: Ultraschallprüfung von Hohlachsen mit einem Kegelarray.
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Die ansonsten immer erforderliche Drehbewegung von Prüfköpfen bei der Hohlwellenprüfung wird hier durch eine elektronische Schallbündelbewegung nach Art der Real Time Scanner-Techniken ersetzt. Die dabei erzeugten Schallfelder sind am Beispiel einer Modellierung für ein 48-elementiges Kegelarray mit der Frequenz 2 MHz und der Elementgröße von 15 x 1,2 mm wiedergegeben (Bild 11 bis Bild 14). Ein derartiges Array wird zZ. aufgebaut, experimentelle Daten werden vermutlich Anfang des Jahres 2002 zur Verfügung stehen.
Die für diese Anordnung im Rechenmodell ermittelten Schallfelder (Bild 11 bis Bild 14) zeigen, dass mit einem derartigen Array die schnelle Drehbewegung für die Hohlachsenprüfung mit Ultraschall möglich ist.
| Schallfelder bei der Ultraschallprüfung von Hohlachsen mit einem Kegelarray | |||
Abb 11:
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Abb 12:
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Abb 13:
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Abb 14:
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Eine besondere Ausführungsform für einen Prüfkopf mit Kegelarray zeigt das Bild 15, das zwei gegensinnig prüfende Kegelarrays in einem Hohlzylinder aus Plexiglas enthält.
Abb 15: Zur Ultraschallprüfung an Hohlwellen mit Gruppenstrahlertechnik.
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In dem Plexiglaszylinder kann Wasser als Ausbreitungsmedium verwendet werden. Der Durchmesser des Hohlzylinders kann an die Bohrungsdurchmesser der Wellen angepasst werden. Außerhalb des Hohlzylinders muss Öl zum Ankoppeln benutzt werden. Auf diese Weise umgeht man das Problem der hohen Schallschwächung im Öl, das auftreten würde, wenn für den gesamten Weg zwischen Kegelarray und Innenoberfläche der Welle nur ein Medium, nämlich Öl, eingesetzt würde.
Bild 16 zeigt am Beispiel der A-Bilder aus dem Bremsnabenbereich einer Eisenbahnachse die Probleme der Trennung von Form- und Fehleranzeigen auf.
Abb 16: A - Bilder aus dem Bremsnabenbereich (Prüfkopfposition 833 mm).
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Wenn man dazu die TD-Bilder hinzufügt, wird deutlich, wie dadurch die Trennung von Formanzeigen unterstützt werden kann (Bild 17 und Bild 18).
Abb 17: A - Bilder und TD-Bilder aus dem Bremsnabenbereich
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Abb 18: TD-Bild einer Vollwellen-Prüfung mit Gruppenstrahler (Prüfkopfposition: 833
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Wenn die Daten der Prüfung in digitaler Form gespeichert werden und nach Abschluss der Abtastung in bildlicher Form nach Art der Bilder 17 und 18 dargestellt werden können, lassen sich Formanzeigen von Fehleranzeigen relativ leicht unterscheiden. Die Auswertung allein eines A-Bildes (Bild 16) zeigt die Schwierigkeit, die der Prüfer während einer manuellen Abtastung ohne bildliche Darstellung der Resultate hat. Die Kontextdarstellung im Bild ermöglicht eine deutlichere Unterscheidung zwischen Formanzeigen und Fehleranzeigen wie im Bild 17 (Mitte) und Bild 18 erkennbar.
Zur Prüfung einer Vollwelle mit drei Bremsscheiben werden vier Gruppenstrahler- prüfköpfe eingesetzt, die vom Ultraschallgerät im Multiplexbetrieb quasi parallel angesteuert werden. Die Prüfkopfpositionen für die vollständige Prüfung können dem Bild 19 entnommen werden.
Abb 19: Prüfkopfpositionen für die vollständige Gruppenstrahlerprüfung an Vollwellen.
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Je zwei Prüfköpfe werden einmal zwischen Rad- und Bremsnabe und zum anderen im Bereich zwischen den Bremsscheiben angekoppelt. Die beiden zum Wellenende orientierten Prüfköpfe überdecken zwei Prüfbereiche, die sich an den Grenzen leicht überlappen. Damit kann die gesamte Oberfläche der Welle abgetastet werden.
Wenn man die von den Prüfköpfen aufgenommenen Rohdaten, d.h. die digitalisierten A - Bilder und daraus zusammengestellte TD-Bilder für verschiedene Winkel betrachtet (Bild 20), dann kann man die Abbildung einzelner Fehler und deren Abhängigkeit vom Einschallwinkel verfolgen.
Abb 20: Nachweis von Testfehlern mit der Gruppenstrahlertechnik.
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Um eine Gesamtdarstellung der Prüfresultate in einer der Geometrie angepassten Form und mit geringen Störungen durch Formanzeigen zu erzielen, ist es notwendig, für die einzelnen Einschallwinkel des Bildes 20 erheblich kleinere Auswerte-Blenden wie in Bild 5 angedeutet zu verwenden. Das Ergebnis einer solchen Begrenzung des Auswertebereiches ist in Bild 21 wiedergegeben.
Abb 21: Nachweis von Testnuten mit der Gruppenstrahlertechnik.
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Der Einsatz von Gruppenstrahlerprüfköpfen für die Vollwellenprüfung und auch die Hohlwellenprüfung ermöglicht eine schnelle automatische Prüfung. Zusammen mit einer bildlichen Darstellung der Prüfergebnisse gelingt es, die Bewertung auch hinsichtlich der Trennung zwischen Stör- und Fehleranzeigen deutlich zu verbessern.
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