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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.
The inspection of the sealing weld is an important phase for the evaluation of the acceptability of final disposal canister, but the weld is only a part of the 3D shielding of copper shell. The main tasks for reliable NDT evaluation requires an extensive evaluation of the parameters which contains typical inspection related items like repeatability, S/N ratio, POD, setting up the equipment for inspection, and all practices for inspections. The other parameters are material parameters, their variation must be taken into account in the evaluation of NDT reliability. Further parameters include human factors, i. e. human inspectors and their interaction with technical systems; their effects were studied on an example of the evaluation of eddy current data. Final parameters are related to evaluation of detected defects, which means sizing and base for acceptance and this can be done in different ways. Some examples are given and results are compared with different methods for instance between radiographic testing and ultrasonic testing by raw data analysis and PA-SAFT results. Also, preliminary curves for the evaluation of metallographic results of 55 defects will be shown by EB weld measurements. Some practical items concerning copper inspections will be also discussed related to acceptability.
Quantitative NDE methods play a key role when it comes to inspect components,
which requires high operational safety. UT-SAFT is one of the well-known reconstruction tools,
which provides information about the defect size. In this work we studied the use of phased array
technique in combination with the SAFT algorithm to inspect power plant components. As a first
example we inspected a real-sized mock-up model representing a part of a reactor pressure vessel with
a 180 mm-thick ferritic base material followed by a 6 mm-thick austenitic cladding layer. The phased
array probe was coupled at the outer ferritic surface. We detected and sized fatigue cracks within the
cladding with a depth ranging from 4 mm to 10 mm. Secondly, we investigated a mock-up model
resembling a nozzle including a thermo sleeve inlet and a maximum wall thickness of about 37 mm.
Artificially inserted notches with a depth of 3 mm could be detected and sized, where the thermo
sleeve is welded at the inside of the nozzle.
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.
A time domain spectrometer in the range of 0.5–2 THz was used for time of flight (ToF) measurements of THz pulses for imperfection detection in non metallic materials. The measurements were performed in comparison to the established ultra sound pulse echo (PE) and time of flight diffraction (ToFD) technique. No coupling agent and no contact to the surface is required for THz ToFD measurements. Plastic test specimen with notches, voids and drilled side holes were used to study reflected and diffracted response signals. No major differences were observed between the UT and THz ToFD records for the first surface of the notches, voids and holes. Additionally to the UT records also signals were obtained from its back side and a second raw of holes. The THz measurement is fast and has the potential to substitute UT applications in some industrial areas. Within the German project 'Handheld' the potential for miniaturization of the time domain equipment is explored for efficient application.
SAFT für die Rissflächenanalyse - Vergleich von Modellrechnungen und Gruppenstrahlermessungen
(2009)
Klebverbindungen im modernen Hochbau können helfen, innovative ästhetische Bedürfnisse im Fassadenbau umzusetzen, technologische Verbesserungen zu erreichen, aber auch die Wechselwirkung von Gebäuden mit der Umwelt unter energetischen Aspekten zu optimieren. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung gibt es hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, Dauerhaftigkeit und die Gütesicherheit.
Mit einer zerstörungsfreien praxistauglichen Prüftechnik, die eine sichere Überprüfung der Integrität von Glas-Metall Klebverbindungen im Ingenieurhochbau gewährleistet, kann sowohl ein wichtiger Beitrag zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Fassadenelementen aber auch bei der späteren Bauwerksüberwachung im Verlauf der Nutzungsdauer geleistet werden. Für eine Beurteilung der Qualität der Verbundfuge (z.B. bezgl. Standsicherheit) sind dabei Aussagen zur Homogenität der Verbundfuge, zum adhäsiven und kohäsiven Verbundverhalten gefordert. Hierzu besteht aktuell insbesondere Bedarf an zerstörungsfreien praxisgerechten, hoch ortsauflösenden und möglichst bildgebenden Untersuchungsverfahren.
Es wird mit einem Matrixarray und mit konventionellen Winkelprüfköpfen eine Prüftechnik vorgestellt, mit der die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwelle und Fehlstelle in der Klebefuge untersucht wird. Hierbei ist das erste Untersuchungsziel, mit einer angepassten Ultraschall-Prüftechnik mögliche Inhomogenitäten oder Schädigungsstellen in der geklebten Glas-Metall Verbindung zu detektieren.
Über diese qualitativen Aussagen hinaus werden weiterführende Informationen über die flächenhafte Ausdehnung und den Ort einer mangelnden Klebung ermittelt. Dazu werden die Messwerte zusammen mit den Positionen des Ultraschallprüfkopfs aufgezeichnet. Mit Hilfe einer bildhaften Auswertung der gemessenen Ultraschallechos in Abhängigkeit vom Prüfkopfort werden die Möglichkeiten einer detaillierten Integritätsanalyse der Glas-Metall Klebschicht dargestellt. In diesem Beitrag werden experimentelle Prüfergebnisse vorgestellt, die im Sinne einer Verfahrensvalidierung an einem speziellen Beispielprobekörper zur Nachstellung einer SSG-Verglasung (ermittelt wurden und die Detektion fehlerhafter Klebestellen in einer Glas-Metall-Klebverbindung zum Ziel haben.