DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Neue Prüfaussagen durch on-line Ultraschall-B-Bild-Aufnahme


Kontakt: Dr. Walter De Odorico

Es wird ein Ultraschallprüfkonzept vorgestellt, das auf einer hardwarenahen Echtzeit B-Bild Aufnahme und -Verarbeitung beruht. Die Verwendung eines Gruppenstrahlerprüfkopfes mit sehr großer Apertur ermöglicht die Materialprüfung eines großen Bereiches in einem einzelnen Sende- / Empfangszyklus. Die Vorteile in der Fehlerdetektion, Prüfgeschwindigkeit und Empfindlichkeit werden anhand einiger Beispiele insbesondere aus der Rohrprüfung aufgezeigt.

Grundlagen

Das breite Anwendungsspektrum der Gruppenstrahlertechnik beruht auf der Möglichkeit, die einzelnen Elemente des Gruppenstrahlers individuell anzusteuern, sender- wie empfängerseitig. Die Empfangssignale der Einzelelemente können nach freien Vorgaben zu einem Summensignal zusammengefasst werden. Dadurch kann ein einzelner Prüfkopf verschiedenste Prüfaufgaben erfüllen - Schrägeinschallung, Tiefenfokussierung, etc. sind mit ein und demselben Prüfkopf ohne mechanische Bewegung realisierbar.
Abbildung 1 zeigt auf der linken Seite eine typische Anwendung in der Rissfehlerprüfung an Rohren - hier vereinfacht im ebenen Fall dargestellt. Der Gruppenstrahlerprüfkopf wird derart angesteuert, dass er die Sende- und Empfangscharakteristika eines konventionellen Prüfkopfes hat. Das mechanische Abfahren der konventionellen Technik kann durch elektronisches Weiterschalten der entsprechenden Einzelelemente ersetzt werden.


Abb 1: Unterschiede in der Beaufschlagung mit Schall für die Rissfehlerprüfung an einer ebenen Stahlplatte

Die rechte Seite von Abbildung 1 veranschaulicht eine linienweise Prüfung, bei der der Prüfling vom gesamten Gruppenstrahlerprüfkopf mit Schall beaufschlagt wird. Hierdurch ist es möglich, Rissfehler unabhängig von der Lage über einen großen Bereich zu detektieren.
Bedingt durch die große Apertur des Prüfkopfes werden, von einem einzelnen Fehler ausgehend, viele Defektechos empfangen. Ein derartiges Defektechomuster ist für den oben beschriebenen Fall in Abbildung 2 als B-Bild dargestellt, zusammen mit einer Veranschaulichung der entsprechenden Schallstrahlen.

Abb 2: Defektechos eines einzelnen Rissfehlers mit einer schematischen Herleitung der Echosignale (rechts). Der schwarz eingezeichnete Schallweg ist der einer konventionellen Prüfung entsprechende. Das zugeordnete Echo im B-Bild ist mit (5) gekennzeichnet. Der Schallweg für Echo (2) beginnt etwa in der Mitte des Prüfkopfes mit Schallstrahl(c). Der Schall wird mehrfach im Stahl reflektier bis er am Defekt austritt und wird vom Prüfkopf am rechten Rand empfangen, gekennzeichnet mit Schallstrahl (e)
Abb 3: Datenreduktion von einem B-Bild zu einem integrierten A-Bild. Die Signale aller Elemente werden zusammengefasst.

Die große und komplexe Datenmenge eines solchen B-Bildes eignet sich nicht zur automatischen Fehlerbewertung in der Rohrprüfung. Man kann die Daten jedoch zu einem integrierten A-Bild zusammenfassen, in welchem die Kohärenz der einzelnen Defektechos zueinander ausgenutzt wird. Diese Zusammenfassung erhöht das Signal/Rauschverhältnis um etwa eine Größenordnung, da das Rauschen in den Signalen der Einzelelemente statistisch verteilt ist, während die Defektechos eine feste Phasenbeziehung zueinander aufweisen (Abb. 3). Es ergibt sich ein Summensignal, das automatisch ausgewertet werden kann. Gleichzeitig vermindert sich die anfallende Datenmenge um mehr als eine Größenordnung.

Empfindlichkeit

Abbildung 4 zeigt eine Auswahl typischer Messungen an geschweißten Rohren. Im B-Bild links sind zwischen dem Oberflächenecho und dessen zweiter Reflektion nur kleine Echoamplituden zu erkennen. Zusammengefasst ergeben sie ein deutliches Defektecho (3.).
Zum Vergleich weisen A-Bilder an einer perfekten Rohrwand (1.) keine Echoamplitude in diesem Zeitbereich auf. Selbst eine Rohrnaht mit guter Schabung (2.) erzeugt eine leichte Echoanzeige.

Abb 4: B-Bild und integriertes A-Bild eines Außenfehlers in der Schweißnaht. Zum Vergleich: A-Bilder einer fehlerfreien Rohrwand und einer fehlerfreien Schweißnaht. Der Bereich der Fehlerechos ist jeweils markiert.

Abdeckung und Prüfgeschwindigkeit

Die Empfindlichkeitsabdeckung dieser Technologie ist in Rohrvorschubsrichtung nur von der Größe des Sensors in dieser Dimension abhängig. In Abbildung 5 ist eine Messserie dargestellt, bei der der Prüfkopf mit 1 mm Schussdichte über das Testrohr verfahren wurde.
Die Maxima der einzelnen A-Bilder sind in Abhängigkeit des Rohrvorschubs aufgetragen.
Eine 1 mm lange Rechtecknut ist über einen Vorschubbereich von 5 mm detektierbar.
Dieses Ergebnis ist mit einer Rohrprüfung mittels um das Rohr rotierenden, konventionellen Prüfköpfen vergleichbar.

Abb 5: B-Bild und integriertes A-Bild eines kurzen Fehlers, einer 1 mm langen Rechtecknut , die die gesamte Rohrwand durchdringt. Rechts unten ist der Amplitudenverlauf der Defektechos einer Serie solcher Messungen entlang der Rohrachse dargestellt.
Abb 6: B-Bild und integriertes A-Bild eines Außenfehlers sowie der Amplitudenverlauf der Defektechos einer Serie solcher Messungen in Richtung des Rohrumfangs. Die Messungen wurden am gleichen Fehler wie Abb. 4 durchgeführt.

In Rohrumfangsrichtung ergibt sich durch die linienweise Einschallung ein gänzlich verschiedenes Resultat. In Abbildung 6 ist eine Messserie dargestellt, bei der das Testrohr relativ zum Prüfkopf in Umfangsrichtung gedreht wurde. Die Maxima der einzelnen A-Bilder sind in Abhängigkeit des Verdrehungswinkels eines Testfehlers aufgetragen. Hieraus ist zu erkennen, dass in einer einzelnen Echtzeit-B-Bild Messung ein Rohrabschnitt in Umfangsrichtung geprüft wird, der im hier präsentierten Fall einer Abdeckung von 45 Grad entspricht. Daher sind für eine 100% Rissfehlerprüfung in Umfangsrichtung nur wenige Schüsse nötig.

Eine genauere Abschätzung der aus dieser Abdeckung sich ergebenden Prüfgeschwindigkeiten ist in Tabelle 1 den konventionellen Prüftechnologien gegenübergestellt. Mit der Echtzeit-B-Bild Technologie ist eine etwa sechsfach höhere Prüfgeschwindigkeit möglich.


Schüsse/Umdrehung Zeit für eine Umdrehung(ms) Äquivalente Drehzahl(1/min)
Konventionelle
Rotationsprüfung
315 cw
315 ccw
30 2000
Phased Array getaktet 315 cw +315 ccw 31.5 1905
Echtzeit B-Bild 50 cw +50 ccw 5 12000
Tabelle 1: Prüfgeschwindigkeitsbetrachtung verschiedener Technologien für einen Rohrdurchmesser von 100mm.

Weitere Anwendungsbeispsiele

In der Flugzeugteileprüfung müssen häufig große Flächen auf strukturelle Integrität geprüft werden. Die zum Teil komplexe Formgebung erschwert die Erfüllung der klassischen Einschallbedingungen oder macht sie im Falle von großen Krümmungen oder Dickenvariationen nahezu unmöglich.

In den Bildern 8 und 9 sind solche Bedingungen von Schrägeinschallung und nicht planparallelen Oberflächen skizziert. Defektechos können Dank der großen Apertur des Prüfkopfes auch in diesen Fällen empfangen werden.


Abb 8: schematische Darstellung der Einschallwinkeltoleranz für die Flugzeugteileprüfung mit einer Beispielmessung an einem Testfehler in CFK

Abb 9: schematische Darstellung der Fehlererkennung bei nicht planparallelen Oberflächen

Ein weiterer Vorteil dieser Technologie ist die aus der Apertur sich ergebende Breite der Prüfspur. Eine linienweise Prüfung eines CFK Testkörpers mit einer Prüfbreite von ca. 100 mm ist in Abbildung 10 vorgestellt. Die Aufnahme entstand in einer einzigen Prüffahrt mit dem in Abb. 11 dargestellten Prüfkopf, d.h. es ist möglich in kurzer Zeit einen großen Bereich eines Prüflings zu testen.

Abb 10: Beispielmessung an einem CFK Muster mit gekrümmter Vorder- und Rückseite Abb 11: schematische Darstellung des für die Messung in Abb. 10 verwendeten Prüfkopfes mit kardanischer Aufhängung.

Zusammenfassung

Die hier vorgestellte Echtzeit-B-Bild Technologie eignet sich hervorragend für so unterschiedliche Anwendungen wie die Rissfehlerprüfung an Rohren oder die Flugzeugteileprüfung. Dieser Palette könnten sicher noch weitere Anwendungsbeispiele wie Stangenprüfung und Knüppelprüfung hinzugefügt werden. Allgemein lassen sich höhere Ansprüche an Empfindlichkeit und Prüfgeschwindigkeit im Vergleich zu konventioneller Technik erfüllen. Zur Zeit werden diese Prüfkonzepte weiterentwickelt. Die hierzu verwendete Hardware ist bereits Bestandteil einiger Anlagen im Feld.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net