DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Mehrwellenprüfkopf als Ersatzt für Tandem Technik

Mitja Sipek Defektoskopija Prevalje,Slowenien
Kontakt: Dipl.-Ing. Mitja Sipek

Resümee

Rechtwinkelig zur Oberfläche orientirte unverschweisste Wurzel in T,K,X Schwiessnähten können nur mit Tandem Technik gefunden und nach Grösse Abgeschätzt werden.Manchmal komplizirte Geometrien verhindern Einsatz von Tandem besonders auf dünnen Blechen mit breiten Schweissraupen und auf geschlossenen Behältern.Fehlergrössenabschätzung nach AVG bietet keine brauchbare Resultate.Einsatz von Mehrwellenprüfkopf und Wellenumwandlung an der Grenze Fe-Luft bietet einen Ersatz für Tandem Technik.

A. Wanddicke 6 bis 25 mm:

Prüfkopf: SEK 4 2x 4x9 mm,4 MHz

Der Anlass für diese Studie war ein Unfall.Er passierte als sich die Wand von kreuzgeschweisstem Gerüst abgetrennt hat


Bild 1

Die Frage war: Sind andere Teile des Gerüstes auch eckgesweisst oder durchgesweisst.

Keine Dokumentation stand zur Verfügung

Kleine Wanddicke 12 mm,breite Schweissraupe 12 mm und nur von einer Fläche Abtastzutritt erlaubte keine Tandem Methode, einzige Möglichkeit war die Prüfung mit MWB 70 4 MHz nach AVG und zeigte Reflektorgrösse ERG 2-3 mm.ERG 3 mm gibt cc.7 kv. mm Reflektorfläche.
Die unverschweisste Wurzel ist unendlich lang in Vergleich mit Schallbündelbreite (cc.10 mm).Das bedeutet dass ein Reflektor 0.7 mm hoch die gleiche Reflektorfläche darstellt.
So kleine Fehler können auch in durchgeschweisstem System entstehen und werden toleriert Es war noch immer nicht klar wie die Bleche verschweisst sind.Davon hängt aber die Entscheidung über die Prüfmethode für die Prüfung des gesammten Gerüstes ab.

Wellenumwandlung:

Wellenumwandlung auf der Grenze Fe-Luft bietet die Möglichkeit den vom Reflektor reflektierten Schall zurück zum Einschallpunkt zu lenken.

Longitudinalwelle unter 76° eingeschallt trifft Reflektor unter 14°. Da wird unter gleichem Winkel mit Schalldruckamplitude 85 % (Empfindlichkeit) als Long.Welle zu unterer Wand reflektiert und in Transwersalwelle umgewandelt die mit Schalldruck 80% unter 32,25°den Einschallpunkt erreicht Da wird von gleichem Prüfkopf empfangen.Um eine lange tote Zone zu eliminieren, werden zwei gleiche Prüfköpfe in einem Gehause eingebaut.(SE ).


Bild 2

Die Länge des Schallweges:

Näherungsformel:

SLT = [1:cos ß* + (1: cos ß) x VL/VT - 1 x tgß] x d (1)
SLT = [1: cos 76° + (1: cos 32,2° )x 1,82 - 1 x tg 32,2°] x d = 5,65 x d

Da der Messbereich auf US Gerät in Echo Princip gegeben ist, die Messung erfolgt aber in SE muss S halbiert sein p = (5,65 x d) : 2

p = 2,83 x d (2)

Abstand Reflektor-Schalleintritspunkt:

P = d/2 x tg ß = S1 x sin ß*

d = Plattendicke ß* = Winkel Longwelle
VL = 5920 m/s ß = Winkel Transwelle
VT = 3250 m/s VL/VT = 1,82

P = d/2 x tg 32,2° = S1 x sin 76°= 2 x d (3)

Long.Welle gibt schwaches Echo S1 vom Reflektor, der sich beim Bewegen des Prüfkopfes bewegt und den Abstand P angibt.

Reflektorgrössenabschätzung:

Grössenabschätzung ist möglich wenn die Emfindlichkeit auf rechtwinkelig abgeschnittenem Teststück einjustiert wird.Echohohe wächst linear bis cc.10 mm da der Piezoschwinger 9 mm lang ist.Bei dickeren Teststücken bleibt das Echo bis 14 mm Wanddicke gleich hoch und bei dickeren Teststücken beginnt zu fallen wegen höherer Schalldämpfung besonders der Transversalwelle. Reflektorgrössenabschätzung ist von verschiedenen Faktoren abhängig.Besondere Aufmerksamkeit muss auf Transferverluste gelegt werden und diese müssen für verschiedene Rauhigkeitszustände der Oberfläche bestimmt werden.Wen man Empfindlicheitsjustirung auf flach gelegtem V2 durchführt sind Transferverluste mit 2 bis 3 dB zu korrigiren für normale Blechoberflächen.Verrostete und unebene Oberflächen zeigen höhere Transferverluste.
Der Einschallwinkel soll auf +- 1 Winkelgrad konstant gehalten werden und deswegen soll Prüfkopfkontaktfläche mit Hartmetalleinlagen vor Abnützung geschützt sein.Der Reflektor soll rechtwinkelig zu Oberfläche stehen und Ptatte muss planparalelle Oberflächen haben.
Alle Abweichungen von genannten Vorbedingungen verhindern nicht Reflektorlage zu orten, eine richtige Reflektorgrösse kann aber nicht abgeschätzt werden.


Bild 8

Für Wanddicken über 20 mm kann 2 MHz Prüfkopf SEK 2 ( Piezo 10 x 20 mm) eingesezt werden.Lineare Abhängigkeit Echohöhe/ Wanddicke ist bis 20 mm gúltig.
Für die Prüfung von langen Schweissnahten wird Wasserfilm mit Wasserzuleitung durch den Prüfkopf als Kontaktmittel benutzt.

Ein Beispiel aus der Praxis:


Bild 3

Bild 3a

Platte 17 mm dick (d) war ohne richtige Schweissnahtvorbereitung verschweisst und die Wurzel cc.7mm hoch blieb unverschweisst.

Eine Prüfung mit MWB 70 N4 zeigte Fehlergrösse ERG 2 bis 3 mm AVG.Das enspricht der Reflektorfläche max.7 mm.Reflektorlänge ist unedlich im Vergleich mit der Schallbündelbreite (cc.10mm).Solche Reflektorfläche gibt teoretisch ein unedlich langer Reflektor von 0,7 mm Höhe.Magnetischer Abzug zeigt Trennung cc.7 mm.

Der Mehrwellenprüfkopf SEK 4,Einschallwinkel 75° long.zeigt Reflektorschallweg S = 47,98 mm.= 2,83 x d und Reflektorgrosse 5,7 mm. (Ekran ist justiert 100% = 10 mm).Das erste Signal das sich horizontal bewegt beim Bewegen des Prüfkopfes zeigt S1 = 33 mm Schallweg.Schallweg multipliziert mit sin 75° gibt den Abstand zwieschen dem Reflektor und dem Einschallpunkt: P = 33 x o,97 = 31,9 mm


Bild 4

B. Dickwandige Schweissnähte:

Wanddicke 50 mm aufwärts:

Prüfkopf: SEW 31/62 2x 10 x 20 mm,2 MHz

Bei dicken Platten ist der Abstand Reflektor - Schalleintrittspunkt sehr gross (2d) und die Schallschwächung unerträglich.Deswegen wird Long.Welle unter 31°eingeschalt.
Von unterer Wand wird sie als Long.Welle zum Reflektor orientiert und trifft ihn unter 59°, wird in Trans.Welle umgewandelt mit 80 % Empfindlichkeit,unter 28° zum Einschallpunkt reflektiert und mit 62°Transversalwinkelprüfkopf empfangen.


Bild 5

Der gesammte Schallweg ::

S LT = [(1,5 x d): cos 31°+(0,5x d): cos 62°) x VL/ VT] = 3,68 x d (4)

(in Longwellengeschwindigkeit)

In der Praxis wird Transwersalwellengeschwindigkeit eingesetzt weil bei eingebautem Transwellenprüfkopf der Schallweg in Plexikeil kompensiert sein muss.So ist der Gesamtschallweg:

SLT = 3,68 :1,82 = 2,02 x d (5)

Justierung in Echo und Messung in SE gibt die Echoposition

p = SLT : 2= 1,01 x d

Abstand Reflekor - Schalleintritspunkt:

PT = d/2 x tg 62° = 0.94 x d (6)

PL = 1,5 x tg 31°x d = 0,9 x d

Reeflektorgrössenabschätzung:

Empfindlichekitsjustierung wird auf rechteckig zugeschnittenem Justirkörper durchgeführt. Für Messbereich zwieschen 25 und 200 mm dicken Platten kann auf flachliegendem Testblock V1 durchgeführt werden.Auf Dicken über 70 mm muss Korektur der Verstärkung in dB die aus Diagram (Bild 6) ersichtlih ist zugegeben werden.


Bild 6

Transferverluste wegen Oberflächenrauhigkeit sind bei 2 MHz unbedeutend.

Prüfung von Eisenbahnschienen - Defekte in Zentrum des Schienenkopfes:

Schienen werden stumpfgeschweisst oder alumotermisch im Gelände verlängert.Es werden Fälle beobachtet dass eine Shiene in der Mitte des Schienenkopfes unverschweisst bleibt und nur am Rande verschweisst ist.Solche zur Oberfläche rechtwinkelig orientierte Defekte können nur mit zwei Winkelprüfkopfen in Tandem entdeckt und nach Defektgrösse bewertet werden.Eine Prüfung mit zwei Prüfkopfen die in Längsrichtung und wegen schief geneigten Abtastflächen in Winkel gedreht werden müssen ist kompliziert und mobilisiert beide Hände für Prüffkopfmanipukation.Ein akustischer Kontakt mit Oberflächen und zwei Prüfköpfen ist problematisch.
Ein Einsatz von Mehrwellenprüfkopf SEW 31/62 macht die Prüfung einfach,Kontaktprobleme mit nur einem Prüfkopf sind viel kleiner und gleichzeitig kann man Defektlage und Grösse vom Bildschirm ablesen.Defekte die nahe dem Rand liegen kann man mit eingebautem Winkelprüfkopf 62°orten.
Die Empfindlichkeitsjustierung wird auf einem rechtwinkelig abgeschnittenem Teststück der Shiene durchgefürt.Damit werden bei der Justierung die Transferverluste die wegen der 4°schief geneigten Abtastflächen gross sind einkalkuliert.
Im Bild 7 ist die Bildschirmafnahme von Reflektor d = 17 mm Durchmesser gezeigt.


Bild 7

Schallweg: SLT =70,9 mm = 1,012 x d (Transwellengeschwindiggkeit)
Entfernung Defekt-Empfangspunkt: PT = 0,94 x d = 66 mm

Zusammenfassung:

Vorteile des Mehrwellenpüfkopfes im Vergleich zu Tandem Technik:

  1. Zutritt nur von einer Abtastfläche
  2. Arbeit nur mit enem Prüfkopf,nur eine Hand wird benutzt
  3. Ankopplungsprobleme sind stark vermindert
  4. Reflektorlage und Grösse können gleichzeitig vom Bildschirm abgelesen werden
  5. Prüfbereich von 6 mm Dicke aufwerts

Vorbedingungen und Grenzen:

  1. Schalleinfallwinkel muss in engen Grenzen gehalten werden.Abtastfläche vor Abnützung schützen
  2. Transterverluste wirken stark auf die Reflektorgrössenabschätzung
  3. Grössenabschätzung ist abhängig von der Rechtwinkelligkeit und Rauhigkeit des Reflektors
  4. Lineare Abhangigkeit Echo zur Reflektorgrösse ist nur für lange Reflektoren gültig die langer sind als die Breite des Schallbündels an der Messstelle
  5. Um eine richtige Abschätzung der Reflektorgrösse muss Schallbündel auf Reflektor in der Mitte trefen.Davon ist die Auswahl des Einschallwinkels 70°- 80°für Prüfköpfe SEK 4,SEK 2 und verschiedene Wanddicken abhängig.

Risse auf dicken Stücken die nahe der Seitenwand liegen oder an die Oberfläche kommen können mit eingebautem Winkelprüfkopf 62°der in Prüfkopf SEW 31/62 eingebaut ist geortet werden, Fehlergrössenabschätzung ist aber unsicher.
Die Mehrwellenmethode ist eine Ergänzung für Tandem,in Fällen in denen wegen der spezifischen Geometrien Tandem nicht eingesetzt sein kann ist die einzige Lösung des Prüfproblems.

Literatur:

  1. Werkstoffprüfung mit Ultraschall J.u.H.Krautkramer Springer Verlag 1980

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