Praktische Beispiele der US-Prüfung an hochbelastbaren Stahl- und Wasserbau- Konstruktionen mit Hilfe elektronisch scannender Ultraschall Phased Array

Techniken

Friedhelm WALTE, Dietmar BRUCHE, Stefan CASPARY, Winfried JAGER, Heribert PAUL, Fraunhofer IZFP, Saarbrücken

Kurzfassung: Durch die rasante Entwicklung in der Elektronik und Computertechnik ist die Phased Array- Technik heute klein, handlich und preiswert geworden und erhält immer mehr Einzug in die tägliche Prüfpraxis. Setz man bei der Prüfung nach geltenden Ultraschall- Normen Phased Array- Techniken ein, muss man entweder die Ultraschall- Anzeigen nach der Vergleichskörper oder nach der AVG- Methode bewerten. Während die Vergleichskörper- Methode mit den verfügbaren Phased Array- Geräten- und Prüfköpfen anwendbar ist, gibt es jedoch noch einige Probleme mit der AVG- Methode. Im folgenden Bericht werden die Probleme mit der AVG- Technik kurz andiskutiert und anschließend 3 Beispiele unter Benutzung der Vergleichskörper- Methode vorgestellt.

Einführung Winkelprüfköpfe weisen eine einschallwinkelabhängige Sende- und Empfangsamplitude auf. Bei Prüfköpfen mit festen Einschallwinkeln (Festwinkel- Prüfkopf) z. B. 45°, 60° oder 70° wird dieser Effekt jedoch durch die Justierung z. B. am Viertelkreis des Kontrollköpers K1 kompensiert, so dass der Prüfer diesen Effekt nicht zu berücksichtigen braucht, Abb. 1. Bei Phased Array- Prüfköpfen muss man jedoch diese Winkelabhängikeit kennen und kompensieren. Bei der Vielzahl der Parameter wie: Frequenz, Keilwinkel, Anzahl der Array Elemente, Abstand der Elemente ist dies keine einfach zu lösende Aufgabe. Verwendet man zur Bewertung der aufgefundenen Anzeigen die Vergleichskörper- Methode mit genügend Referenzbohrungen oder Nuten kann man die Phased Array- Technik einsetzen. Bei einer Bewertung nach der AVG- Methode ist der Einsatz der Phased Array- Technik jedoch nicht ohne Anpassungen möglich. Die Herstellung von AVG- fähigen Prüfköpfen ist zwar ein erster Schritt, löst die Probleme jedoch noch nicht vollständig. In [1] wird diese Problematik näher diskutiert. Im folgenden werden 3 Beispiele für eine Phased Array- Prüfung mit einem virtuellen Scan- Verfahren und einer Bewertung nach der Vergleichskörper- Methode gezeigt.

DGZfP-Jahrestagung 2009 - Di.2.A.1

1

Abb.1: Einschallwinkelabhängige Ultraschallamplitude nach der Reflexion am Halbkreis (αK = Einschallwinkel ohne Laufzeitverzögerung erzeugt durch den Keil) Phased Array- Prüfung mit der virtuellen Scan- Technik Ein lineares Array mit N Einzelelementen wird so getaktet, dass nur eine Gruppe von n Einzelelementen angeregt wird und einen kleinen Prüfkopf bildet. Durch Abschalten und Zuschalten jeweils eines Elementes wird diese Gruppe entlang des linearen Arrays z. B. in die x- Richtung bewegt, Abb.2. In y- Richtung wird das Array mechanisch oder manuell bewegt. Mit Hilfe eines Koordinatengebers für die y- Richtung kann man flächenhafte Prüfungen durchführen und B- und C- Bilder generieren.

Abb. 2: Die virtuelle Scantechnik Beispiel 1. Hier wird die virtuelle Scantechnik zur Prüfung von Kehlschweißnähten mit nicht durchgeschweißtem Steg eingesetzt. Nach [2] ist die US- Prüfung bei nicht vollständig durchgeschweißtem Steg nur eingeschränkt möglich, da Fehlerechos und die

αE

β Keil

Einschallwinkel [°]

Festwinkel- Pk

A45°

60°70°

x

Plexiglasschuh

x

Konventionelle Technik Phased Array- TechnikPrüfkopf wird manuellverschoben

Virtueller Prüfkopf wird elektronisch verschoben

α s

β

αE

Phased Array- Prüfkopf

αK = 40° 50° 60° 70°

Einschallwinkel [°]

A

2

Echos vom nichtverschweißtem Steg nicht gut trennbar sind. Der Phased Array Prüfkopf wird manuell entlang einer Führungsschiene bewegt, wobei die Koordinate mittels eines Odometerrades aufgezeichnet wird. Die Querverschiebung erfolgt elektronisch. Abb. 3 zeigt links die schematische Prüfanordnung und rechts die manuelle Durchführung.

Abb. 3: Prüfung von Kehlnähten mittels der Phased Array- Technik

Zur Justierung wurden artgleiche Testkörper mit 2 mm bzw. 3 mm Flachbodenbohrung jeweils in den Schweißnahtflanken eingesetzt. Der Phased Array- Prüfkopf war mit 128 Elementen bei einer Frequenz von 5 MHz ausgerüstet, wobei jeweils 16 Elemente zu einer Gruppe zusammengefasst wurden. Als Ultraschall- Phased Array- Gerät diente ein Olympus Omniscan- MX. Mit Hilfe der virtuellen Scantechnik konnten direkt C- Bilder erzeugt, abgespeichert und ausgedruckt werden. Zur Auswertung der Amplitude wurde das A- Bild in den Bereichen mit Anzeigen zur Hilfe genommen. Abb. 4 zeigt das Ergebnis einer Testkörper- Prüfung. Man erkennt:

die Anzeigen der Bauteilrückwand, 1 und 5 in Abb. 4 den gut verschweißten Bereich die Anzeige der Flachbodenbohrung, 2 den nicht verschweißten Stegbereich, 3 die Dichtnaht, 4

Ebenfalls ist die Einschweißtiefe im C- Bild zu erkennen.

Führungsschinemit Magnetfüssen

US- Gerät

Phased Array-Prüfkopfmit Koordinatengeber

Bewegungsrichtung des Prüfkopfes(manuell)

3

Abb. 4: C- Bild des geprüften Testkörpers

Beispiel 2. Für eine Stahlbetonbrücke mussten, auf ein Untergurtblech aufgeschweißte, Bolzen geprüft werden, Abb. 5. Die Bolzenschweißnaht war nur über die Durchschallung des Gurtbleches prüfbar. Auch hier wurde ein Phased Array- Prüfkopf mit 64 Elementen, jeweils 16 zu einer Gruppe zusammengefasst eingesetzt.

Abb. 5: Prüfung von Bolzenschweißungen Mit Hilfe einer Schiene, die mit Magnetfüßen befestigt wurde, konnte die Längskoordinate mit dem Odometerrad manuell aufgenommen werden, die Querkoordinate wurde wiederum durch die virtuelle Scantechnik realisiert. Als Testkörper wurde ein aufgeschweißter Bolzen benutzt, der auf ca. 30 mm gekürzt wurde und mit zwei 2 mm Flachbodenbohrung versehen war.

1

2

3

4

5C- Bild

Z [mm]

x [mm]

Verschweißter Bereich

x

5

43

2

1

30 mm

22 mm

Untergurt (Stahl) Schweißnaht

Stahlbolzen

Beton

Zugängliche Stelle

4

Abb.6: Prüfung des Bolzentestkörpers mit C- / A- Bilddarstellung

Das C- Bild in Abb. 6 zeigt eindeutig die beiden 2 mm Flachbodenbohrungen und den gut verschweißten Bereich. Aus dem A- Bild ist der große Signalrauschabstand von > 20 dB zu erkennen. Beispiel 3. Bei der Herstellung von Häckseltrommeln werden Messerhalter auf eine Stahltrommel mittels zweier Stumpfnähte geschweißt.

Abb. 7: Stationäre Prüfanordnung zur Prüfung von Messerhalter- Schweißnähten Zur Prüfung der Integrität der Schweißnähte insbesondere im Flankenbereich wurde die virtuelle Scantechnik eingesetzt, Abb. 7. In diesem Fall erfolgte die Prüfung stationär. Die reale Prüfanordnung ist in Abb. 8 gezeigt. Die Phased Array- Elektronik besteht aus zwei Phased Array- Prüfköpfe (Frequenz 5 MHz) mit jeweils 64 Elementen und wurde mittels einer speziellen Halterung auf die Oberfläche der Messerhalter fix positioniert. Eine

Messerhalter

X

Trommel

Schweißnaht

Phased Array- Pk

virtueller Prüfkopf

Ansicht von "X"

Trommel

Schweißnaht A Schweißnaht B

Ultraschall Phased Array Prüfköpfe Prüfkopfparameter:Frequenz f = 5 MHzAnzahl der Elemente N = 64 Prüfkopfbreite B = 10 mmEinschallwinkel für A = 70°Einschallwinkel für B = 60°

5

Untergruppe von 16 Elementen wurde als ein Winkelprüfkopf (Transversalwellen) mit Einschallwinkeln von 60° (Schweißnaht A) und 70° (Schweißnaht B) betrieben, wobei jeweils ein Element abgeschaltet und eine neues Element zugeschaltet wurde. Die Prüfköpfe mit jeweils 64 Elementen wurden am IZFP ausgelegt und gefertigt.

Abb. 8: Prüfanordnung (links) und Testkörper (rechts)

Abb. 9 Prüfergebnis. Vertikal: Schallweg, Horizontal Scan- Richtung Mit der Prüfanordnung nach Abb. 7 konnte die gesamte Schweißnaht ohne mechanisches Verschieben geprüft werden. Mit dem LinScan- Frontend (IZFP- Entwicklung) und der speziellen „Knife Inspection Software KIS“ wurden Schweißnahtfehler innerhalb eines Fehlererwartungsbereichs automatisch erkannt, bewertet und in io oder nio sortiert, Abb. 9.

Fehlererwartungsbereich Fehlererwartungsbereich

SN- Fehler

6

Zusammenfassung Phased Array Prüfsysteme erobern immer mehr die tägliche Prüfpraxis im Bereich der Ultraschallprüfung. Eine Prüfung mit Bewertung nach der Vergleichskörper- Methode ist wie bei konventionellen Ultraschallgeräten möglich. Durch die Technik des virtuellen Verschiebens ist es möglich, auch bei einer manuellen Prüfung auswertbare C- und B- Bilder zu erzeugen. Literatur [1] Veröffentlichung in Vorbereitung [2] J. Krautkrämer, H. Krautkrämer. Werkstoffprüfung mit Ultraschall. 5. Auflage, Springer- Verlag1986, Seite 503

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