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Charakterisierung einer durch Überlast geschädigten GFK-Platte mit Thermografie und Ultraschall
(2013)
Eine GFK-Platte mit eingefräster Nut wurde in einem Zugversuch mit
ca. 90 kN belastet, was zu einer sichtbaren Veränderung an den Seitenflächen führte.
Anschließend wurde die Platte mit Ultraschall und Thermografie auf innere Schädigungen untersucht. Beide Verfahren konnten räumlich ausgedehnte Bereiche mit zahlreichen Anzeigen nachweisen, jedoch keine geschlossene Fläche. Mit UT wurden außerdem porenreiche oberflächennahe Schichten in dem Material detektiert. Diese Poren verringerten die Nachweisempfindlichkeit beider Messverfahren.
Faserverbundwerkstoffe wie kohlefaserverstärkte Kunststoffe CFK sind vergleichsweise schwer mit Ultraschall zu prüfen, weil die starke Dämpfung, der inhomogene Aufbau und die akustische Anisotropie die Wellenausbreitung behindern bzw. komplizieren. Die Folge ist, dass die Ansprüche an die Prüfung oft stark reduziert werden müssen. Die vorgestellte Prüftechnik nutzt die Möglichkeiten der räumlichen Fokussierung und des zweidimensionalen Winkelscans von Matrix Phased Array Prüfköpfen MPA in Kombination mit Echosignalüberlagerungsalgorithmen für eine substantielle Verbesserung der Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses. Sowohl bei der Ansteuerung des MPA als auch bei der Auswertung wird die Anisotropie des Werkstoffs berücksichtigt. Das MPA wird über die Oberfläche bewegt und an einer Anzahl von Messpunkten werden zweidimensionale Winkelscans durchgeführt. Das Ergebnis sind räumliche Echohöhenverteilungen, aus denen Schnittbilder oder auch Volumendarstellungen erzeugt werden können.
Anhand von Messungen an CFK-Platten mit Flachbodenbohrungen KSR 1 und 2 sollen die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen der Prüftechnik demonstriert werden. Weiterhin werden Untersuchungen an Impaktschäden gezeigt, die typischerweise bei Faserverbundwerkstoffen bei starken punktförmigen Belastungen auftreten.
Die Kombination der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) mit der Tauchtechnik stellt eine besondere Herausforderung dar. Zwei für SAFT notwendige Bedingungen – die große Schallbündeldivergenz und die Kenntnis über den Ort des Senders bzw. des Empfängers, der für die phasenrichtige Überlagerung der Echosignale genau bekannt sein muss – lassen sich einfach erfüllen, wenn kleine, fast punktförmige Sensoren direkt auf der Oberfläche des Prüfobjektes ankoppeln. Diese Anordnung ist in der Regel nicht vereinbar mit den praktischen Ansprüchen an die Signalqualität und die Flexibilität der Prüftechnik.
Werden jedoch Prüfköpfe mit üblichen Abmessungen und zudem noch mit Vorlaufstrecken verwendet, dann ist die Bestimmung der Sensororte und der Schalllaufwege durch die brechende Fläche nicht mehr trivial, wenn man die für SAFT geforderte Genauigkeit in Rechnung stellt.
Etwas anderes, aber ein im Prinzip einfacher Weg zur räumlichen Lokalisation von Echoquellen ist die Auswertung des 2D Sektorscans eines Matrixarrays und dessen dreidimensionale Darstellung. Durch gezielte Steuerung des Arrays gelingt auf einfache Weise die ortsrichtige Zuordnung.
Defect sizing is required for a quantitative assessment of the quality and reliability of safety relevant components and materials using ultrasonic non-destructive testing. The SAFT (Synthetic Aperture Focussing Technique) and the TOFD technique (Time Of Flight Diffraction) are such promising sizing candidates, extracting more information from the raw ultrasound echo data and the corresponding crack tip response. In this work the phased array technique is used to inspect a clad mock-up model of a pressure vessel section. The full scale model contains artificial test reflectors which are located in the weld and in the cladding region as well. The defects—representing typical flaws at a very early stage—are analysed with different frequencies, beam angles and directions of incidence.
For the reconstruction of reflector indications a SAFT algorithm is applied to the phased array measurement results. Additionally the reflectors are analysed by means of the TOFD technique, using different beam angles at the same time. Both analysis methods are performed using different directions of incidence considering the complex cladding structure underneath the inner surface of the mock-up model. A direct comparison of the SAFT and TOFD techniques shows that, besides the clarity of the results, the detection and sizing capabilities of SAFT are far better.
The spatial resolution in ultrasonic testing as a wave phenomenon in nature is limited to a
certain fraction of the wavelength, usually defined to be close to the Rayleigh criterion. In case of
complicated reflector surfaces – such as stress corrosion cracking - this limitation prevents an exact
visualization of the defect shape. There exist a few approaches to improve the spatial resolution, whose
reconstruction quality all in common also depend on the achieved signal-to-noise ratio of the raw data. In this
work we present a specific SAFT analysis, in which a high number of different angles of incidence produce a
sufficiently high number of different reflections at the crack edges resulting in an improved SNR. In doing
so, we reconstruct a coherent crack structure. First investigations were made at artificially simulated crack
configurations with different contours and curvatures in flat and cylindrical test blocks. The measurements
results visualized by representative scans – show details of crack design and crack orientation. We also will
present a comparison of the SAFT analysis between modelling and phased array measurements.
Within a know-how transfer project funded by the government conventional ultrasonic
technique was replaced by phased array technique for automated round-bar testing. Instead of
applying a great number of conventional probes to achieve acceptable volume coverage we used
curved linear arrays. The benefits of phased array technique such as programmable skew angles,
beamforming and beam positions, led not only to a significant decrease in inspection time, but also the
number of probes could be substantially reduced . Finally, the testing parameters for a large range of
bar-diameters could be adapted by software control instead of time-consuming mechanical
replacement. The probe-design was carried out by a proprietary modelling program. Both the
theoretical calculations as well as the latter experimental verifications revealed significant advantages
of curved arrays versus the planar types. A radial oriented probe offers perfect adaption to the
cylindrical shape of the specimen allowing wide variations of the sound field. Thus beam direction,
beam size and beam position could be optimized with respect to a minimum of inspection cycles, as
inspections have to be executed in-line during the production. A number of laboratory tests were
carried out on special test components. In order to achieve an optimal performance of the reference
rod we implemented three different types of reference reflectors: (i) flat-bottom-holes with diameters
of 0.8 mm and 1.2 mm, (ii) side-drilled-holes with a diameter of 0.7 mm for the detection of
volumetric flaws, and (iii) notches with a depth of 0.2 mm and 0.5 mm for the detection of surfaceoriented
defects. All laboratory tests were carried out with the COMPAS-XXL inspection system, a
proprietary development of BAM.