DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Untersuchung von Grobblechen mit einer auf 3D-SAFT beruhenden mobilen Ultraschall-Scan-Einheit MUSE

V. Schmitz, W. Müller: Fraunhofer Institut Zerstörungsfreie Prüfverfahren - Saarbrücken
J. Staudt, G. Schäfer: Dillinger Hüttenwerke - Dillingen
S. Chakhlov: Tomsk Polytechnik University
Kontakt: Dr. Volker Schmitz

1. Einleitung

Entsprechend den gesteigerten Anforderungen an den US-Reinheitsgrad bei Grobblechen, wurde im Juni 1998 im Walzwerk II der Dillinger Hütte eine neue modernere Prüfanlage installiert. Die Prüfung erfolgt als 100%-Flächenprüfung unbesäumter Walztafeln im Produktionsfluss, wobei 3 mm Flachboden-bohrung in einem Abstand von 1,5 mm unter den Oberflächen detektiert werden müssen.
Die Anlage wurde konzipiert für die Prüfung aller Grobbleche von 6-60 mm, wobei eine maximale Prüfgeschwindigkeit von 1 m/s eingestellt werden kann. Die durchschnittliche monatliche Prüftonnage (automatisch und manuell ausgeführte Prüfungen) lag in 2003 bei ca. 100 000 Tonnen. Durch den Einsatz einer mobilen Prüfeinheit "Mobile US-Scan-Einheit = MUSE", soll erreicht werden, hochauflösende Darstellungsbilder interessanter Befallsbereiche insbesondere auch für Dickenbereiche über 60 mm, d.h. bis 400 mm Wandstärke mit geringem Zeitaufwand zu erstellen. Hierbei soll die nutzbare Abtastfläche 400 mm x 400 mm betragen und Fehler von 2 mm Durchmesser (in speziellen Fällen bis 1.5 mm) detektiert, aufgelöst und dargestellt werden. Ziel ist es, integrale Aussagen über größere Fehlerflächen zu detaillieren, und ein unnötiges Verwerfen der Bleche d.h. ein unnötiges Verschrotten gesunder Bleche zu vermeiden.

2. Kriterien für eine Qualitätssicherung

Neben einer sicheren Detektion müssen die Anzeigen aufgelöst, charakterisiert und ihre Fehlergrößen bestimmt werden. Aufgrund der Schallfelddivergenz der eingesetzten Ultraschallprüfköpfe müssen in dem hier vorkommenden großen Wanddickenbereichen bis 400 mm entweder Prüfköpfe unterschiedlicher Größe verwendet werden, um ihre Nahfeldlängen und somit höchstes Auflösevermögen in die entsprechenden Tiefen legen zu können, oder das Konzept der Synthetischen Apertur /1-6/ verwendet werden, d.h. kleine Prüfköpfe um ein möglichst divergentes Schallbündel zu erzeugen und die Fokussierung "synthetisch", d.h. durch nachträgliche Signalverarbeitung zu erzielen. Die zweite Mögichkeit erlaubt ein leichteres "Handling" der Prüfköpfe und gestattet ein von der Tiefe unabhängiges Auflösevermögen einzustellen:


Abb 1: Prüfkonzept zur Einstellung eines hohen Auflösevermögens

Führt man die Signalverarbeitung nur in Scanrichtung nach der Methode des "Synthetischen Aperturverfahens SAFT" durch, so erzielt man eine Verbesserung der Fehlerabbildung nur in dieser Richtung durch. In der hierzu senkrechten Richtung wird der Fehler als Summe seiner Ausdehnung + Schallbündelbreite in der entsprechenden Tiefe abgebildet werden. Erst bei gleichzeitiger Signalverarbeitung in x- und in y-Richtung (3D-SAFT) wird die volle Abbildungsqualität erzielt werden können - siehe Abb. 2


Abb 2: Konzept der Datenverarbeitung mit 3D-SAFT

3. Aufbau und Labortest einer mobilen US-Prüfeinrichtung

Die Mobile Ultra-Schall Prüf-Einrichtung "MUSE" besteht aus mehreren Modulen - Transporteinheit, Manipulatorsteuerung und PC mit Ultraschall-Prüfelektronik, Koordinateninterface und A/D-Wandler". Die hochfrequenten Ultraschallsignale werden innerhalb der gewählten Fahrbereiche in programmierten Rasterabständen aufgezeichnet. Für die Analyse der Ultraschalldaten wird das 3D-SAFT-Verfahren (SAFT = Synthetische Apertur Fokussierungs-Technik) eingesetzt. Das Verfahren SAFT gewährleistet eine hohe Detektions- und Abbildungsqualität, die von der Blechdicke unabhängig ist, jedoch bzgl. unterschiedlicher Parameter, z.B. Prüfkopfdurchmesser, Ultraschallwellenlänge und SNR optimiert worden ist.. Hierbei wurde im besonderen Maße den hohen Anforderungen hinsichtlich Datenrate, Prüfgeschwindigkeit und Datenmenge Rechnung getragen. Der x-y- Manipulator ist in einem stoßfesten Rahmen im Transportkarren integriert. Die z-Achse, welche die Prüfkopfhalterung und den Kontakttechnikprüfkopf aufnimmt, wird während des Transportes hochgefahren und mechanisch gesichert. Die Ankopplung des Ultraschalles mit Wasser erfolgt über Schlauchleitungen aus einem mitgeführten Kanister, der 10 Liter aufnehmen kann. Zur Minimierung des Wasserverlustes ist im Rahmen eine verschleißfeste Gummilippe eingebaut.

Der Manipulator erlaubt die programmgesteuerte mäander - oder kammförmige Abtastung einer Fläche von 400 mm x 400 mm. Sowohl in Prüf- als auch in Inkrementrichtung kann ein Vielfaches von 0.1 mm eingestellt werden. Die Steuerung erfolgt über ein vom PC aus bedienbares Motorsteuersystem mit wählbaren Startpunktkoordinaten, Rückkehr zu bei der Datenaufnahme unterbrochenen x-y-Koordinaten-werten, Fortführung der Datenaufnahme und freie Wahl von Aperturen, die kleiner als 400 mm x 400 mm sind. Für die Ultraschallprüfung wird die Einheit USKDI eingesetzt. Diese umfasst die Sende-/ Empfangs-baugruppe PCUS-40-SE und das Koordinateninterface KDI-40. Für den vorliegenden Anwendungsfall wird zusätzlich das Datenerfassungssystem DAC-12/100 integriert. USKDI ist eine Ultraschall-Front-End Modul, das für die Assemblierung von MultikanalUltraschallmodulen in Form von Frontend-basierten US-Systemen in der Fertigungsprüfung konzipiert worden ist. Der Frequenzbereich liegt zwischen 0.3 MHz und 10 MHz, der Dynamikumfang umfasst 100 dB. Die Daten werden mit 12 bit Auflösung digitalisiert. Als Funktion der Prüfblechdicke wird die Impulsfolgefrequenz automatisch angepasst.

Die Datenerfassungs- und Auswertesoftware 3DSAFT läuft unter Windows 2000. Die Software für die Datenerfassung beinhaltet den Selbsttest, die Initialisierung des Prüfsystems, die Parametrierung und Steuerung des Manipulators MiniServo, des US-Prüfsystems USKDI inkl. Transientenrekorder und die on-Line Datenerfassung inkl. Datenspeicherung und Darstellung wahlweise in Form der sog. HF-Tapete bzw. als C-Bild wahlweise mit amplituden- bzw. tiefenabhängiger Farbcodierung.

Da die Datenanalyse auf der Grundlage des Synthetischen Aperturverfahrens SAFT beruht, wird bei der Datenaufnahme eine tiefenabhängige Verstärkung, das Setzen von Zeittoren und Amplitudenschwellen überflüssig. Nach Ende einer jeden Prüfspur wird entweder das gesamte Datenfeld dieser Prüfspur als Funktion der Laufzeit (sog. HF-Tapete) oder als Linie in einem C-Bild auf dem Display dargestellt . Tritt ein Ankoppelfehler auf, so wird während des "linienartigen" C-Bild-Aufbaus direkt im C-Bild eine Alarmmeldung ausgegeben.

Am Ende der Datenerfassung steht dem Benutzer der mobilen Scanner-Einheit eine aus den Rohdaten ermittelte aussagekräftige C-Bild-Darstellung des erfassten Prüfbereiches zur Ansicht zur Verfügung. Dieses C-Bild entspricht annähernd einer Grobrekonstruktions- Darstellung. Anhand dieser vorläufigen Ergebnisse wird in dem ausgewählten Bereich eine Feinrekonstruktion nach dem SAFTVerfahren durchgeführt.


Abb 3: Qualifizierungstestkörper:200 mm x 140 mm x90 m

Zur Verifizierung des Auflösevermögens und der Größenbestimmung stand ein 90 mm dicker Testkörper zur Verfügung, der in 5 mm, 10 mm, 15 mm und 20 mm Abstand vor der Rückwand Flachbodenbohrungen von 2 mm, 3 mm, 5 mm und 3 mm breite Nuten von [L x T] 17 mm x 15 mm, 17 mm x 10 mm und 8 mm x 10 mm enthält. Ihre Minimalabstände betragen 3 mm

Zunächst bietet sich an, einen 1/2" Kontakttechnikprüfkopf (12.7 mm) mit 5 MHz Prüffrequenz einzusetzen. In Abb. 4 ist angedeutet, dass es auch möglich wäre, durch Verwendung eines größeren Prüfkopfes mit 18 mm ø die Nahfeldlänge in die Tiefenlage der Fehler zu verlegen. Man erkennt jedoch an der Ray-Tracing Simulation, dass die Einschnürung des Schallfeldes in diesem Abstand nicht erwarten lässt, dass das benötigte Auflösevermögen von 3 mm erzielt werden kann.

Aus diesem Grunde wurden die aufgezeichneten HF-Signale des 12.7 mm großen Prüfkopfes dem "SAFT"-Algorithmus unterzogen und die in Abb. 4 unten rechts dargestellte Abbildungsqualität erzielt. Es ergab sich zwar eine Verbesserung in der Auflösung und der Fehlergrößen, jedoch ist diese Verbesserung im Sinne einer quantitativen zfP zur Fehlergrößenbestimmung nicht ausreichend. Der Lösungsweg liegt in der Verwendung kleinerer Prüfköpfe, da das Auflösevermögen umso besser ist, je kleiner der Prüfkopfdurchmesser ist.

Führt man die Datenaufnahme im Prüfschuss- und Spurabstand von 0.3 mm durch, so beträgt bei der eingestellten Abtastgeschwindigkeit von 130 mm/s die Datenerfassungszeit 18 Minuten. Die 3DSAFT-Rekonstruktion, die zu der Abbildung 5 führt, betrug 30 Minuten:

Abb 5: 3D-SAFT-Rekonstruktion mit einem 6 mm großen Prüfkopf - 5 MHz
Abb 4:
Verbesserung des Nachweisvermögens durch nachträgliche Signalverarbeitung mit SAFT Prüfkopf: 12.7 mm ø; 5 MHz Prüffrequenz
Abb 6: Automatisierte Fehlergrößenbestimmung

Die Vermaßung der Fehler erfolgt automatisch, wobei sich an einer eingestellten Registrierschwelle orientiert wird. Fehleramplituden unterhalb der Registrierschwelle werden nicht ausgewertet. Wählt man z.B. in Abb. 5 die Fehlertiefenlage 75 mm aus, so werden alle Fehler oberhalb der eingestellten Registrier-schwelle binär dargestellt. Die x- und y- Koordinate wird aus dem C-Bild, die Tiefenlage z aus dem B-Bild bestimmt. Die Fehlerausdehnungen werden grob als maximale Ausdehnung in x- bzw. in y-Richtung (dx, dy) angegeben, bzw. durch Auszählung der Pixelanzahl mal ihrer Ausdehnung die exaktere Fehlerfläche bestimmt. Wie in Abb. 6 gezeigt, werden die beiden 3 mm Bohrungen mit ihrem Rand zu Rand Abstand von 3 mm getrennt abgebildet, zu 4,8 mm x 4,0 mm in ihren Einzelgrößen bestimmt und die Fläche S zu 15.1 mm2 berechnet. Die 20 mm lange und 3 mm breite Nut wurde zu 20,2 mm x 4 mm bestimmt.

4. Betrieberfahrungen mit der MUSE im Werk Dillingen

Die ersten Betriebserfahrungen in der Dillinger Hütte wurden an einem Blech gesammelt, das mit seiner Dicke von 45 mm im Anwendungsbereich des mobilen Scanners MUSE - Abb. 7 - zwischen Blechdicken von 15 mm und 400 mm liegt.

Von der neuen Grobblechprüfanlage, die entsprechend den gestiegenen Anforderungen an den US Reinheitsgrad bei Grobblechen 1998 im Walzwerk II installiert wurde, liegt ein Prüfprotokoll des untersuchten Bleches von 17 m Länge, 2,6 m Breite und 45 mm Dicke vor. Die maximale Prüfgeschwindigkeit beträgt 1 m/s, die Nachweisempfindlichkeit 3 mm KSR. Es werden Prüfköpfe eingesetzt, die eine Breite von 50 mm abdecken und als Empfänger in 3 Einzelschwinger von je 17 mm Breite unterteilt sind. Da die Ortskoordinaten bekannt sind, kann eine Nachprüfung mittels einer Ultraschall-Handprüfung oder mit der Analyseeinheit MUSE erfolgen:

Mit der MUSE-Einheit wird der zu untersuchende Bereich am Beginn der Befallszone über eine Fläche von 400 mm x 400 mm in Schussabständen von 0.3 mm abgetastet. Die Anzeigen - siehe Abb.8 der automatisierten Grobblech-prüfanlage konnte durch die 3D-SAFT-Rekonstruktion qualitativ bestätigt werden; sie befinden sich vorwiegend in Blechmitte und bestehen aus vielen Einzelanzeigen. Eine detaillierte Untersuchung des größten komplexen Fehlers ergibt - Abb. 9, dass dieser Fehler aufgelöst werden kann in drei Einzelfehler.

Abb 8: Prüfergebnis der Grobblechprüfanlage - zu analysierender Bereich
Abb 7:
Die Datenerfassungs- und Auswerteeinheit MUSE; Abtastfläche: 400 mm x 400mm
Abb 9: Analyse von Einzelfehlern mit MUSE

5.Zusammenfassung

Basierend auf dem Konzept kleiner Prüfköpfe und 3D-SAFT wurde eine mobile Anlage zur Ultraschall-analyseprüfung realisiert. Ziel der Analyse ist vorwiegend die Prüfung dickwandiger Bleche von 60 mm bis 400 mm Wanddicke. Die Prüfgeschwindigkeit liegt bei 130 mm/s, die Datenerfassung für 400 mm x 400 mm bei 18 Minuten. Die Rekonstruktionszeit mit 3D-SAFT beträgt ca. 30 Minuten. Die Fehler werden automatisiert ausgewertet, Positionen und Größen in einer Excel Tabelle ausgegeben.

6. Danksagung

Die Grundlagen, die zu dieser Anwendung geführt haben, wurden in einem Forschungs- und Entwicklungsvorhaben erarbeitet, welches mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit im Rahmen der Reaktorsicherheitsforschung unter dem Förderkennzeichen 1501220 durchgeführt wurde.

7. Literatur

  1. V. Schmitz, S. Chakhlov, W. Müller: "Synthetic Aperture Focussing Technique - State of the Art" First Int. Conf. on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurized Components, Amsterdam, 20-22. Okt. 1988
  2. V. Schmitz, W. Müller: "Synthetic Aperture Focussing for industrial applications": 27th Acoustical imaging Symposium, Saarbrücken, 24-27 March 2003 - Saarbrücken
  3. V. Schmitz, W. Müller, S. Chakhlov: "A transportable Ultrasonic Evaluation System based on CAD, Acoustic Imaging for 3D Imaging through arbitrarily curved surfaces, 8th. ECNDT, Barcelona, 17-21 June 2002
  4. V. Schmitz, K.J. Langenberg: "Anwendung eines Ray-Tracing Programmes mit Kirchhoff Näherungen", Bericht 020146-E, FhG-IzfP-Saarbrücken, 18.10.2002
  5. K.J. Langenberg, R. Marklein, K. Mayer: "Theoretische Grundlagen der zerstörungsfreien Materialprüfung mit Ultraschall", Manuskript einer demnächst erscheinenden Monographie, Universität Kassel 2003

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