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Bewertung kritischer Befunde bei der Ultraschallprüfung an Schweißnähten mit Modellrechnungen
(2000)
Typische Probleme bei der Schweißnahtprüfung mit Ultrschall entstehen bei ferritischen Werkstoffen vor allem durch Anzeigen von der Nahtkontur, vor allem aus dem Wurzelbereich. Die klassischen Methoden der Unterscheidung formbedingter Anzeigen von Fehlern - z.B. durch Vergleich der A-Bilder von beiden Seten einer Stumpfnaht - können unterstützt werden durch die Modellierung derartiger Anzeigen im Zusammenhang mit hypothetischen Fehlern im wurzelnahen Bereich. Im Beitrag wird die Anwendung vereinfachender Modelle auf diese Problematik vorgestellt und an Beispielen demonstriert.
Neu entwickelte Gasturbinen werden im Prüffeld mit wechselnden Belastungen beaufschlagt. Dazu wird die Gasturbine mit einer Wasserreibbremse gekoppelt, mit der eine definierte Last erzeugt werden kann.
Ursprünglich war die Wasserreibbremse für eine bestimmte Leistung, die den früheren Leistungen der Gasturbine entsprach, ausgelegt worden. Die erste Prüfung fand im Jahr 1975 statt. Da neuere Gasturbinen wesentlich höhere Leistungen erbringen und die vorhandene Wasserreibbremse weiterhin eingesetzt werden sollte, musste eine Nachqualifizierung vorgenommen werden. Das Ziel war die Absicherung auf eine mögliche Sprödbruchgefahr.
Zunächst wurde eine Studie zur Prüfbarkeit erstellt. An speziellen Testkörpern wurden im Ultraschallabor der BAM Vorversuche zur Machbarkeit, zur Empfindlichkeitsein-stellung und zur Vorbereitung der Prüfung durchgeführt. Dazu wurden spezielle Gruppenstrahlerprüfköpfe gefertigt und ein an die komplizierte Geometrie der Bremsscheiben angepasster Manipulator gebaut. Ferner wurde, um die Prüfzeiten zu reduzieren, die Software zur Datenerfassung und zur Auswertung angepasst.
Im Werk Berlin der Siemens AG wurde in Zusammenarbeit mit der Siemens AG Erlangen eine Ultraschallprüfung mit der Gruppenstahlertechnik der Wasserreibbremse durchgeführt. Überprüft wurde das gesamte Volumen auf axial, radial und tangential beanspruchte Fehler in den Bereichen der Welle und der Bremsscheibe.Die Überprüfung ergab keine relevanten Fehler, so dass die Wasserreibbremse weiterhin eingesetzt werden kann.
Zusammenfassung
Aus den Messergebnissen geht hervor, dass der Real-Time-Scanner den Reflektor-nachweis der konventionellen Prüfköpfe hinsichtlich des erreichten S/R-Abstandes erreicht und teilweise übertrifft. Weiterhin geht aus den Ergebnissen hervor, dass die Nachweisempfindlichkeit sehr empfindlich auf Abweichungen der Prüfkopf-positionierung reagiert. Nur wenn die optimale Fahrspur für jede Reflektortiefenlage getroffen wird, kann mit den konventionellen Prüfköpfen ein S/R-Abstand von mehr als 20 dB erreicht werden. Das bedeutet, dass mit den konventionellen Prüfköpfen immer mehrere parallele Fahrspuren mit kleinem Spurversatz gefahren werden müssen, um auch kleine Fehler in der Schweißnaht nachweisen zu können. Mit dem Real-Time-Scanner-Prüfkopf können mit einer einzigen Messfahrt und mit entsprechend vielen angepassten Messfunktionen mehrere parallele Fahrspuren durch elektronisch gesteuerte Bündelverschiebung erfasst werden.
Charakterisierung oberflächennaher Fehler an plattierten Komponenten mittels Gruppenstrahlertechnik
(2002)
Zusammenfassung
Nachdem Untersuchungen mit konventionellen Prüfköpfen an plattierten Bauteilen gezeigt haben, dass es möglich ist, mit Hilfe von Beugungsanzeigen bzw. -mustern die Größe und Tiefenlage von Fehlern im Plattierungsbereich zu bestimmen, wurde die Gruppenstrahlertechnik für Fehlersuche und -charakterisierung eingesetzt.
Der Vorteil bei der Arbeit mit Gruppenstrahlerprüfköpfen besteht darin, dass in einer Messfahrt eine Reihe von Einschallwinkeln abgearbeitet werden kann. Dies vereinfacht und verkürzt die Prüfung wesentlich.
So wurde von der ferritischen und der plattierten Seite der Testkörper mit der Impuls-Echo-Technik im halben Sprung, der TOFD-Technik und mit Sende-Empfangs-Prüfköpfen oberflächennah geprüft. Allerdings haben alle hier aufgeführten Verfahren ihre Grenzen, so sind z.B. Fehler, die eine Fehlergröße von £ 3 mm aufweisen, kaum noch zu charakterisieren. Hier ist nur der Nachweis möglich.
Es hat sich außerdem gezeigt, dass die TOFD-Technik nur als Ergänzung zu anderen Techniken eingesetzt werden sollte, da das Potenzial für die Verwendung als Suchtechnik nicht ausreichend ist.
Zusammenfassung
Die verschiedenen Bewertungs- und Untersuchungsverfahren zur Fehlerdiagnose in der Ultraschallprüfung lassen in Abhängigkeit von der Prüfsituation nur eine fallweise Anwendung zu. Die erzielbaren Ergebnisse sind durch prinzipielle Grenzen, wie die orientierungsabhängigen Wechselwirkungen der Ultraschallwellen mit dem Fehler, in ihrer Genauigkeit stark begrenzt. Im allgemeinen enthalten sie nur einen Teil der für eine belastbare Fehlerdiagnose erforderlichen Informationen. Eine zuverlässige Bewertung ist meist durch die Zusammenfassung der Ergebnisse redundanter US- Verfahren und die Nutzung von a priori Informationen, z.B. aus der Fertigungsgeschichte einer Komponente, möglich. Der Einsatz mehrerer US-Prüfverfahren bedingt üblicherweise einen höheren Zeit-, Arbeits- und Kostenbedarf und sollte möglichst durch Verbesserung der Fehlerdiagnose mit einem Verfahren begrenzt werden.
Die im Beitrag vorgestellte iterative Modellierung der Ultraschallprüfung bietet dazu eine Möglichkeit. Die Durchführung der Modellrechnungen beginnt mit der Aufstellung einer Fehlerhypothese unter Einführung von a priori Informationen. Die Nachrechnung der Fehlerhypothesen mit dem validierten und erprobten Modell ermöglicht den Vergleich mit den Messergebnissen. Die aufgestellten Fehlerhypothesen können so abgesichert, sowie Messergebnisse überprüft und bestätigt werden. Das Rechenmodell ermöglicht die Bewertung der Amplitude, der Laufzeit, der Echodynamik und des Anzeigenmusters, also aller auch bei anderen Bewertungs- und Untersuchungsverfahren herangezogenen Bewertungsmaßstäbe. Eine Kombination des Rechenmodells mit einer Evolutionsstrategie würde die Systematisierung des Verfahrens ermöglichen, ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, wie im Beitrag gezeigt wird. Die iterative Modellierung besteht aus drei Teilprozessen, der Analyse der möglichen Wechselwirkungen, der Separation dieser Wechselwirkungen in diverse Schallwege und schließlich der Synthese der auf den verschiedenen Wegen berechneten Signale zum Gesamtsignal. Die ersten beiden Teilprozesse müssen z.Zt. auf Basis von Expertenwissen für jeden Prüffall neu gelöst werden.
Zusammenfassung
Das vorgestellte Modell ist in der Lage, Schallfelder in eben oder zylindrisch begrenzten Bauteilen zu berechnen. Die Prüfköpfe können eine einheitliche oder eine aus Elementen zusammengesetzte Schwingerfläche besitzen, die zusätzlich gekrümmt sein darf. Die Einschallrichtung des Prüfkopfes gegenüber der Achse der Oberflächenkrümmung ist beliebig. Die Auswertung kann praxisgerecht und flexibel an die Fragestellung angepasst werden. Die kurzen Rechenzeiten erlauben ein interaktives Arbeiten z.B. für die Prüfkopfkonstruktion und -optimierung.
Im ersten Teil werden die Möglichkeiten des Modells demonstriert, und im zweiten Teil wird der Einfluß der Oberflächenkrümmung exemplarisch diskutiert. Dabei werden Modell- und Messergebnisse gegenübergestellt.
Es wird gezeigt, dass der Einfluss der Oberflächenkrümmung auf das Schallfeld u.U. erheblich sein kann. Eine hinreichende Verifikation des Modells vorausgesetzt, könnten Empfindlichkeitsfelder im Raum und Abstandskurven mit viel höherer Auflösung erzeugt werden, als dies durch Vergleichskörpermessungen möglich ist, und diese, die darüber hinaus auch sehr kostspielig sind, weitgehend ersetzen.