DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Darstellung und Auswertung von Ultraschall-Prüfergebnissen durch B-Bilder

Udo Schlengermann, Siegmar Schulz
Agfa NDT GmbH, Hürth
Kontakt: U. Schlengermann

Zusammenfassung

Die Beurteilung einer komplexen Ultraschallprüfung durch Abrastern eines Prüfobjektes an Hand vieler A-Bilder überfordert den Prüfer. Durch die Verarbeitung der digital erzeugten A-Bilder zu einem B-Bild werden alle gewonnenen Informationen über Amplituden, Phasen und Laufzeiten in einem Dokument vereinigt. Beispiele über den Nutzen von B-Bildern werden gezeigt aus den Bereichen Maschinenbau, Walzerzeugnisse, Schmiedestücke, Faserverbund-Werkstoffe und der Schweißnahtprüfung.

Keywords: A-Bild, B-Bild, C-Bild, Bildgebende Ultraschallprüfung, Anwendungen

Einleitung

Beim klassischen Impuls-Echo-Verfahren werden Laufzeit und Amplitude von Ultraschallimpulsen in A-Bildern (A-Scan) dargestellt. Digitale Ultraschallgeräte erzeugen diese A-Bilder - entweder gleichgerichtet oder als HF-Darstellung - aus einem Bildspeicher. Es liegt also nahe, alle erzeugten A-Bilder ebenfalls digital zu speichern und zu verarbeiten, um keine Informationen der Prüfung zu verlieren. Ein B-Bild entsteht, indem die Amplitudenwerte (bzw. auch der Phasen) aller A-Bilder als Farben codiert werden und bei den aufeinanderfolgenden A-Bildern in einer neuen Abbildung, dem Bild, dargestellt werden.

Die einfachste Lösung besteht darin, die A-Bilder über der Prüfzeit t als sogenannte BT-Scans zu verarbeiten. Wenn für die Prüfkopfbewegung die Wegdaten ebenfalls kodiert vorliegen, kann ein B-Bild erzeugt werden, das die Laufzeiten und Amplitudenwerte ortgetreu wiedergibt. Es wird deshalb auch manchmal TD-Bild genannt (Time-Displacement).

Die Echo-Signale, die im B-Bild abgebildet werden, können dabei durch Reflexion, durch Streuung oder durch Beugung an Inhomogenitäten im Prüfobjekt hervorgerufen werden.
Heutige Computer erlauben es, zu jedem Bildpunkt eines gespeicherten B-Bildes das ursprüngliche A-Bild wieder zu rekonstruieren.
Informationen über die Begriffsbestimmung und die Anwendung von Ultraschall-Abbildungen liefert die DGZfP-Richtlinie US 2 [1].

Anwendungen

1. Bestimmung der Restwanddicke bei Korrosion
Hierzu wird ein digitales Wanddicken-Prüfgerät mit Bildschirmanzeige und ein geeigneter Wanddicken-Prüfkopf gewählt. Der Prüfkopf wird gleichmäßig über die korrodierte Stelle geschoben. Bei der Betriebsweise BT-Scan entsteht auf dem Bildschirm eine Abbildung der gemessenen Restwanddicke über der Prüfzeit t, siehe Bild 1.

Bild 1: Restwanddicke im BT-Scan Bild 2: Bohrungen in einem Hydraulikzylinder

2. Lagebestimmung definierter Reflektoren
Hier ist der Verlauf von tiefen Bohrungen in einem Hydraulikzylinder zu ermitteln. Das Bild 2 zeigt die Laufzeit der Echos über dem Drehwinkel bei Rotation des Zylinders. Das B-Bild gibt die gewünschten Daten: Die Position der Bohrung, bezogen auf den Umfang und die Tiefenlage der Bohrung, bezogen auf die Zylinderoberfläche.

3. Einschlüsse in Stahlblech
Zur Vermeidung von Schäden in Rohrleitungen aus Stahl durch Wasserstoff induzierte Risse werden Blechproben vor der Verwendung in saurer Umgebung einer kontrollierten Korrosion ausgesetzt. Die Größe und die Tiefenlage der in der Blechprobe erzeugten Risse kann mit B-Bildern einer Ultraschallprüfung gut ermittelt werden. Das Bild 3 zeigt die B-Bilder für zwei unterschiedliche Proben. Zu sehen ist im linken Bild, daß hier zwei ursprünglich getrennte Schäden zusammengewachsen sind. Da hier das Rückwandecho nicht vollständig fehlt, muss die Trennung noch für den Ultraschall teildurchlässig sein. Beim rechten Bild dagegen schattet der flächige Riss das Rückwandecho vollständig ab. An dieser Stelle erscheint das 2. Echo von der Trennung im Blech. Außerdem erscheint auch noch das Bild einer umgewandelten Welle laufzeitmäßig hinter dem Rissbild.

Bild 3: B-Bilder von Schäden in HIC-Proben Bild 4: Gefügeänderungen in Messingstangen

4. Reinheitsgrad von Messingstangen
Gefügeänderungen und kleine Einschlüsse in Metallen zeigen sich im A-Bild nur durch örtliche Änderungen im Rauschpegel. Erst die Zusammenfassung aller erzeugten A-Bilder im B-Bild (Bild 4) zeigt deutlich die Zustandsänderung. Die Gefügeänderung zeigt sich nicht nur durch ein Gebiet erhöhter Streuung im Störpegel. Auch die Schallgeschwindigkeit hat sich an dieser Stelle der Stange verringert. Das B-Bild zeigt das Rückwandecho der zylindrischen Stange als gekrümmte Kurve, obwohl der Durchmesser der Stange konstant ist.

5. Impact-Schäden an faserverstärkten Kunststoffen
Die klassische Abbildung von Ultraschall-Prüfergebnissen bei faserverstärkten Kunststoffen ist das C-Bild: Die flächige Projektion der höchsten Signalamplitude auf die Prüffläche. Das Bild 5 zeigt unter ‚C' ein solches C-Bild mit der flächigen Abbildung eines Schlagschadens. Viel bedeutender ist aber die Information, die die zugehörigen B-Bilder B1 und B2 liefern: Hier lassen sich die Auswirkungen des Schlages in der Tiefe der Platte verfolgen, wobei auch die Störung des Rückwandechos noch Informationen über die Bedeutung der Schädigung liefert.

Bild 5: Impact-Schaden in einer Faserverbund-Platte Bild 6: Schienenprüfung mit senkrechter Einschallung

Delaminationen im Faserverbund-Werkstoff können Mehrfachechos hervorrufen. Nur in B-Bildern können solche Mehrfach-Signale identifiziert werden und von getrennten Delaminationen unterschieden werden.

6. Prüfen von Eisenbahnschienen
Bei der wiederkehrenden Prüfung von Eisenbahnschienen im Gleis auf Risse werden Senkrecht-Prüfköpfe und Winkelprüfköpfe eingesetzt. Weil Bohrungen und Kanten von denen die Risse ausgehen, ebenfalls Signale hervorrufen, sind B-Bilder bei der Bewertung solcher Signale hilfreich. Das Bild 6 zeigt für die Senkrecht-Einschallung die charakteristischen Anzeigen von Laschenlöchern und einem Laschenloch-Anriss.
Komplizierter ist die Beurteilung von Bildern, die durch die Schrägeinschallung aufgenommen wurden. Bild 7 zeigt - am gleichen Prüfobjekt wie bei Bild 6 - die Laufzeitänderung beim Überfahren der Reflektoren mit dem breiten Schallbündel eines Winkelprüfkopfs.

Bild 7: Schienenprüfung mit Schrägeinschallung Bild 8: Prüfung einer Radsatzwelle von der Stirnfläche aus

7. Prüfen von Radsatzwellen
Bei der Prüfung von Radsatzwellen von der Stirnfläche aus kann ein Senkrecht-Prüfkopf verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß Umfangsrisse (Querrisse), die von außen nach innen wachsen, mit um so größerer Amplitude angezeigt werden, je tiefer sie in die Welle eindringen, siehe Bild 8.
Alle bei der Kreisbewegung des Prüfkopfes aufgenommenen A-Bilder werden zu einem B-Bild zusammengefaßt ,wie es in Bild 9 gezeigt wird, insgesamt 720 A-Bilder.
Weil die Laufzeit aber proportional zum Abstand von der Stirnfläche ist, kann man dieses B-Bild auch als ein Bild mit zwei unabhängigen Ortskoordinaten verstehen, d.h. auch als C-Bild ansehen, obwohl der Prüfkopf sich nicht in zwei Achsen bewegt hat.
Voraussetzung für solch eine Bestimmung einer fehlenden Ortskoordinate aus der Laufzeit ist aber, daß die Schallgeschwindigkeit konstant ist und daß außerdem die Richtung der Schallausbreitung geradlinig ist. Dies ist nur in isotropen Körpern erfüllt.

Bild 9: B-Bilder der Prüfung von der Stirnfläche aus Bild 10: Prüfung einer Radsatzwelle von der Mantelfläche aus

Bild 10 zeigt die Prüfung einer Radsatzwelle von der Mantelfläche aus. Hier wird die Schrägeinschallung eingesetzt. Zur Erfassung der unterschiedlichen Prüfbereiche wird ein gesteuertes Schallbündel benutzt (Phased Array), bei dem der Einschallwinkel elektronisch gesteuert wird. Auch hier wird also ein Bild erzeugt, das zwei unabhängige Ortskoordinaten aufweist (C-Bild). Die zweite Koordinate ist aber allein aus der Laufzeit, d.h. wie im B-Bild, geometrisch berechnet worden.

8. Schweißnahtprüfen mit der TOFD-Technik
Bei der Beugungs-Laufzeit-Technik sagt schon der Begriff aus, daß die Laufzeiten von gebeugten Signalen verarbeitet werden. Weil durch Beugung hervorgerufene Signale aber wesentlich kleiner sind als reflektierte Signale und oft den Störpegel nur wenig überragen, liefern die A-Bilder beim Bewegen der TOFD-Prüfköpfe noch nicht die gewünschten Aussagen. Erst durch die Zusammenfassung im B-Bild ergibt sich eine deutliche Prüfaussage über die geprüfte Schweißnaht. Bild 11 zeigt das B-Bild einer Schweißnahtprüfung mit der TOFD-Technik. Die Längs- und die Tiefenausdehnung von zwei flächigen Inhomogenitäten kann genau ermittelt werden.

Bild 11: Schweißnahtprüfung mit der TOFD-Technik Bild 12: Prüfausrüstung für B-Bilder

Ausrüstung zur Erzeugung von B-Bildern

  • Die preisgünstige Digitalelektronik ermöglicht heute Gerätelösungen, die für alle Prüfaufgaben der volumetrischen Ultraschallprüfung eine Darstellung der Prüfergebnisse in Abbildungen erlauben.
  • B-Bilder liefern dabei eine umfassende Prüfaussage, weil sie Prüfort, Laufzeiten, Amplituden und Phasen in einem Bild wiedergeben können.
  • Erforderlich sind dabei folgende Module:
    • Ultraschallgenerator und -Empfangsverstärker (auch auf PC-Karten),
    • Motorsteuerung für die Bewegung (Antrieb),
    • Computer mit Monitor für die zentrale Steuerung und die Bildwiedergabe,
    • Signalverarbeitungs-Software für die Bilderzeugung und -speicherung.

Literatur

  1. Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung:
    Bildgebende Ultraschallprüfung von neuen Werkstoffen, Richtlinie US 2 (1993).

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