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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.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
Bei der automatisierten Prüfung von Stangen mit Ultraschall-
Gruppenstrahlertechnik besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Prüfkopfparameter
wie Einschallwinkel, Fokustiefe und Schallbündelbreite programmgesteuert an sich
verändernde Prüfbedingungen anzupassen. Zu diesen zählt die Temperatur des
Koppelmediums (Wasser), die in einem Bereich von 10°C bis 50°C liegen kann, was
zu unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten führt und den Einschallwinkel
verändert. Mit der Folge, dass unter Umständen die geforderte 100%-Abdeckung
des Prüfvolumens nicht mehr gewährleistet ist.
Auch geometrische Abweichungen, wie sie durch die fertigungsbedingte Streuung
des Prüflings gegeben sind, können Einfluss auf das Prüfergebnis nehmen. So
führen Abweichungen vom idealen Geradheitszustand zu Fehlpositionierungen des
Prüfkopfs, was wiederum Einfluss auf die Lage und Beschaffenheit des Schallbündels
in der Stange hat. Ähnliches gilt für nicht vollkommen kreisförmig ausgebildete
Stangendurchmesser, die unterschiedliche Schalleintrittsbedingungen bewirken und
Abweichungen von den theoretisch ermittelten Werten zur Folge haben.
Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens wurde der Einfluss
dieser Parameter untersucht und ihre Auswirkungen für den Betrieb einer
automatisierten Prüfanlage unter realen Betriebsbedingungen ermittelt. Dies betrifft
vor allem den maximal möglichen Schallbündelversatz innerhalb des Arrays, der die
Anzahl der erforderlichen Prüftakte bestimmt und damit die maximale
Vorschubgeschwindigkeit des Prüflings. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur
programmgesteuerten Kompensation der untersuchten Temperatur- und
Geometrieabweichungen durch eine flexible Anpassung der Gruppenstrahler-
Prüfkopfparameter aufgezeigt.
Mit der Gruppenstrahlertechnik der Bundesanstalt für
Materialforschung und -prüfung sind umfangreiche Untersuchungen an einer
plattierten Druckbehälter-Testwand durchgeführt worden. In der vorliegenden
Testwand mit einer Wanddicke von 149 mm befinden sich künstliche
Testreflektoren im Schweißnaht- und Plattierungsbereich, die mit Gruppenstrahler-
Prüfköpfen mit unterschiedlichen Frequenzen, Einschallwinkeln und
Einschallrichtungen nachgewiesen und in ihrem Anzeigenverhalten analysiert
wurden.
Zur Rekonstruktion der Reflektoranzeigen wurde ein SAFT - Algorithmus
verwendet, der die Variation der Einschallwinkel berücksichtigt. Zum Vergleich
sind die Reflektoren auch mit der TOFD - Technik analysiert worden. Ziel der
Untersuchungen war der direkte Vergleich der Eignung der SAFT- und TOFDTechnik
zur quantitativen Reflektorgrößenbestimmung.