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Organisationseinheit der BAM
Guided waves hold great potential for applications in the field of ultrasonic nondestructive testing. Examples of possible applications are the ultrasonic testing and structural health monitoring of wheelset-axles as used in trains. Depending on the particular type, these axles can be described as either thick cylindrical rods or thick walled hollow cylinders with varying thickness. Wheelset-axles are safety relevant components that have to be inspected on a regular basis. The use of guided waves would allow a full inspection while accessing only the front faces of the axle, thus potentially speeding up the inspection procedure. In order to develop such an inspection technique, however, detailed knowledge of wave propagation through the axle is required. Established mesh-based procedures, like the finite element method, could be used to simulate guided wave propagation in such structures. However, due to the size of the axle itself and the comparatively fine mesh that is dictated by the wavelengths usually applied in ultrasonic testing, these mesh-based procedures would be very expensive in terms of computation times. The multimodal approach seems to be a very promising alternative that can be expected to provide results significantly faster. The multimodal method uses the guided wave modes of a corresponding waveguide with a constant cross-section as basis in which the local sound field at any given position in a waveguide with varying thickness can be expressed. Thereby the numerical effort is reduced to solving the one dimensional differential equations that govern the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the sound field has been calculated, a time dependence can easily be included, which allows the simulation of pulse propagation through the waveguide. In this thesis, the multimodal approach, as described for the calculation of Lamb-waves in plates with non-constant thickness, is extended to other types of elastic waveguides such as cylindrical rods and thick walled hollow cylinders. For the sake of simplicity, investigations are restricted to axially symmetric wave modes. The results obtained with the multimodal approach are validated against FEM-simulations. It is shown that the multimodal method potentially holds a great advantage in terms of computation time over commercially available software based on the finite element method. Finally, the multimodal method is evaluated with respect to possible future applications on wheelset-axles.
Die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist ein Verfahren
zur Verarbeitung von HF-Bildern, die an unterschiedlichen Prüfkopfpositionen
aufgenommen wurden. Es wird in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung genutzt,
um eine Abbildung von Materialfehlern innerhalb des Gebietes zu erstellen, auf das
die Rekonstruktion angewandt wird. Die nach Abschluss der SAFT-Rekonstruktion
zusammengestellten Informationen über Reflektoren liegen zunächst nach wie vor in
Form von HF-Daten vor. Die Interpretierbarkeit der SAFT-Bilder ist im
Allgemeinen davon abhängig, wie diese Daten vor der endgültigen Darstellung
aufbereitet werden. Die Bildung der Amplitudeneinhüllenden aus dem zugehörigen
analytischen Signal stellt eine Möglichkeit einer solchen Aufbereitung nach
Anwendung des SAFT-Algorithmus dar. Sie ist jedoch nur im eindimensionalen Fall
eindeutig definiert. In diesem Beitrag wird das Konzept der analytischen Signale mit
single-orthant-Spektren aufgegriffen, um eine Detektion der Einhüllenden an
mehrdimensionalen HF-Daten durchzuführen. Dabei wird über die Betragsquadrate
aller möglichen nach dieser Definition zu bildenden analytischen Signale gemittelt.
Es wird gezeigt, dass die Anwendung des beschriebenen Verfahrens einem
Separationsansatz entspricht. Außerdem wird eine Möglichkeit aufgezeigt die
Gültigkeit dieses Ansatzes anhand der totalen und partiellen Hilberttransformationen
des Signals im konkreten Fall zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Methode zur
Verbesserung von SAFT Bildern werden unter Verwendung synthetischer und
experimenteller Daten an rekonstruierten Abbildungen verschiedener Reflektorarten
beispielhaft dargestellt.
Die Rekonstruktion von Materialfehlern aus gemessenen
HF-Bildern mit Hilfe der Synthetic Aperture Focussing
Technique (SAFT) ist ein bildgebendes Verfahren der
zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Die Auswertbarkeit
der gewonnenen Ergebnisse wird dabei maßgeblich durch
die Darstellung der mittels SAFT-Rekonstruktion zusammengestellten
Daten bestimmt, welche zunächst nur
in Form positiver und negativer Amplitudenwerte vorliegen.
Die Aufbereitung dieser Daten erfolgt durch Bildung der
Einhüllenden der Amplituden aus dem zugehörigen analytischen
Signal. Die Erweiterung dieses, nur im eindimensionalen
Fall eindeutig definierten, Konzepts auf
zweidimensionale Signalverläufe erfolgt dabei in Form einer
Mittelung über die Betragsquadrate aller möglichen
mit Single-Orthant-Spektren (SO-Spektren) zu bildenden
analytischen Signale. Es wird gezeigt dass dies
der Verwendung einer Approximation als separables Signal
entspricht und für den zweidimensionalen Fall eine
Möglichkeit vorgeschlagen Signale anhand ihrer partiellen
und totalen Hilberttransformationen auf Separabilität und damit Anwendbarkeit dieser Näherung zu testen.
Die Ergebnisse der so durchgeführten Bildverbesserung
werden am Beispiel einer zweidimensionalen SAFT-Rekonstruktion
an verschiedenen Reflektorarten dargestellt.
Up to now there is no sufficient technique to detect transverse cracks in austenitic and dissimilar welds which recently are of increasing interest in the integrity surveillance of nuclear power plants as well as in quality control of longitudinally welded pipes. Weld inspection by interpretation of single A-scans will lead to erroneous results due to effects caused by anisotropy and in worst case might leave flaws undetected. Therefore, imaging techniques such as the synthetic aperture focusing technique (SAFT) should be used. If the SAFT algorithm is applied on data taken from austenitic welds, the inhomogeneous, anisotropic structure of these welds has to be taken into account in order to properly attribute amplitudes measured in A-scans to the corresponding coordinates in the region of interest. While this has been investigated in the past, all attempts so far were limited to the imaging of longitudinal cracks which requires a less complicated setup than the imaging of transverse cracks. In this paper we give an outline of our attempts to reconstruct images of transverse cracks in different welds. For this purpose a SAFT program based on ray tracing and a layered structure weld model derived from an empirical model of grain orientations in welds are used. The results of the image reconstruction on experimental data are shown and compared to images obtained by assuming an isotropic homogeneous model. Root reflection and crack tip echo are clearly visible which allows an estimation of size and position of the crack with good accuracy.
Die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist ein Verfahren
zur Verarbeitung von HF-Bildern, die an unterschiedlichen Prüfkopfpositionen
aufgenommen wurden. Es wird in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung genutzt,
um eine Abbildung von Materialfehlern innerhalb des Gebietes zu erstellen, auf das
die Rekonstruktion angewandt wird. Die nach Abschluss der SAFT-Rekonstruktion
zusammengestellten Informationen über Reflektoren liegen zunächst nach wie vor in
Form von HF-Daten vor. Die Interpretierbarkeit der SAFT-Bilder ist im
Allgemeinen davon abhängig, wie diese Daten vor der endgültigen Darstellung
aufbereitet werden. Die Bildung der Amplitudeneinhüllenden aus dem zugehörigen
analytischen Signal stellt eine Möglichkeit einer solchen Aufbereitung nach
Anwendung des SAFT-Algorithmus dar. Sie ist jedoch nur im eindimensionalen Fall
eindeutig definiert. In diesem Beitrag wird das Konzept der analytischen Signale mit
single-orthant-Spektren aufgegriffen, um eine Detektion der Einhüllenden an
mehrdimensionalen HF-Daten durchzuführen. Dabei wird über die Betragsquadrate
aller möglichen nach dieser Definition zu bildenden analytischen Signale gemittelt.
Es wird gezeigt, dass die Anwendung des beschriebenen Verfahrens einem
Separationsansatz entspricht. Außerdem wird eine Möglichkeit aufgezeigt die
Gültigkeit dieses Ansatzes anhand der totalen und partiellen Hilberttransformationen
des Signals im konkreten Fall zu überprüfen. Die Ergebnisse dieser Methode zur
Verbesserung von SAFT Bildern werden unter Verwendung synthetischer und
experimenteller Daten an rekonstruierten Abbildungen verschiedener Reflektorarten
beispielhaft dargestellt.
In this paper, a method to determine the complex dispersion relations of axially symmetric guided waves in cylindrical structures is presented as an alternative to the currently established numerical procedures. The method is based on a spectral decomposition into eigenfunctions of the Laplace operator on the cross-section of the waveguide. This translates the calculation of real or complex wave numbers at a given frequency into solving an eigenvalue problem. Cylindrical rods and plates are treated as the asymptotic cases of cylindrical structures and used to generalize the method to the case of hollow cylinders. The presented method is superior to direct root-finding algorithms in the sense that no initial guess values are needed to determine the complex wave numbers and that neither starting at low frequencies nor subsequent mode tracking is required. The results obtained with this method are shown to be reasonably close to those calculated by other means and an estimate for the achievable accuracy is given.
The inspection of austenitic and dissimilar welds using ultrasound demands for sophisticated testing techniques. The application of reconstruction methods like the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) on the measurement results provides an appropriate approach for defect characterization and sizing. Nevertheless, the reconstruction algorithm has to consider the aniso-tropic wave propagation inside the inhomogeneous weld material. In recent years the detection of transverse cracks has become increasingly important for ensuring the structural integrity of pipes in the primary circuit of nuclear power plants or longitudinally welded, cladded pipes. However, relia-ble inspection techniques are hardly available. In this particular case, it is expected that the compar-atively long propagation path of the ultrasonic wave field inside the inhomogeneous weld material enhances the effect of anisotropy and influences the accuracy and the signal-to-noise-ratio of the reconstruction result. In this contribution we suggest an advanced ultrasonic testing technique for detecting and sizing of transversal cracks in austenitic and dissimilar welds. The method applies a SAFT reconstruction algorithm considering the anisotropy and the inhomogeneity. A V-arrangement of the transducers in pitch-catch technique is chosen to avoid a direct coupling on the weld face. The reconstruction algo-rithm is based on an extended 3-dimensional weld model and uses a ray-tracing approach for de-termining the wave propagation paths. Along with the reconstruction algorithm the transducer set-up and experimental results of different specimens with artificial transverse flaws are presented. The availability of the proposed method for crack sizing is assessed in comparison to conventional testing techniques.
Ultrasonic examination of anisotropic inhomogeneous austenitic welds is challenging, because of the columnar grain structure of the weld leads to beam skewing and splitting. Modeling tools play an important role in understanding the ultrasound field propagation and optimization of experimental parameters during the ultrasonic testing of austenitic welds as well as the interpretation of the test results. In this contribution, an efficient theoretical model based on the ray tracing concepts is developed to calculate the ultrasonic fields in inhomogeneous austenitic welds quantitatively. The developed model determines the ultrasound fields by taking into account the directivity of the ray source, the inhomogenity of the weld as well as ray transmission coefficients. Directivity of the ray source in columnar grained austenitic materials (including layback orientation) is obtained in three dimensions based on Lamb's reciprocity theorem. Ray energy reflection and transmission coefficients at an interface between two general columnar grained austenitic materials are calculated in three dimensions. The ray tracing model predictions on inhomogeneous austenitic weld material are compared against those from CIVA, a commercial non-destructive modeling and simulation tool. The ultrasonic modeling tools in CIVA are based on semi-analytical solutions. For beam propagation simulation, a so-called 'pencil method' is used, which involves modeling the probe as a set of individual source points, each radiating 'a bundle' of diverging rays into the medium and integrating those elementary contributions. Inhomogenity in the weld region is approximated by mapping the grain orientations on weld macrograph. Simulation results for ultrasonic field profiles for an austenitic weld are shown to be in good agreement with the corresponding experimental results.
SAFT-Rekonstruktion für die Querfehlerprüfung in austenitischen Schweißnähten und Mischnähten
(2013)
Die Untersuchung austenitischer Schweißnähte ist eine Herausforde-rung für die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall, bei der die Anwendung her-kömmlicher Prüftechniken häufig keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert. Die Ursache dafür ist das inhomogen-anisotrope Gefüge im Schweißnahtbereich, das zu einer Verzerrung des Schallfeldes und damit zu Schwierigkeiten bei der Auffindbarkeit und bei der Größenbestimmung von Fehlern führt. Eine neue Her-ausforderung ist die Detektion von Querfehlern in Rohrleitungen des Primärkreises von Kernkraftwerken, aber auch in längsnahtgeschweißten, plattierten Rohrleitun-gen, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dabei können die Prüfköpfe auf Grund einer unbeschliffenen Decklage meist nicht direkt auf die Naht aufgesetzt werden. Vielmehr muss eine SE-Anordnung der Köpfe verwendet werden, bei der durch die längeren Schallwege der negative Einfluss des austenitischen Gefüges noch ver-stärkt wird.
Im vorliegenden Beitrag wird eine RT-SAFT-Prüftechnik vorgeschlagen, mit der die Fehlerdetektion deutlich verbessert werden konnte. Dabei wurde die SAFT-Rekonstruktion mit einem Ray-Tracing-Ansatz zur Bestimmung der Schalllaufwege und -laufzeiten und mit einem Schweißnahtmodell kombiniert. Das Schweißnaht-modell repräsentiert die Kornorientierung und die elastischen Konstanten in einer diskretisierten Form und macht so die komplexe Nahtstruktur für die Berechnung zugänglich.
Die Aufnahme der Messdaten erfolgt mit zwei Gruppenstrahlerprüfköpfen in V-Anordnung, die beidseitig der Schweißnaht geführt werden sind.
Im Beitrag werden die Prüfanordnung und das Rekonstruktionsverfahren vor-gestellt und die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen an austenitischen Schweißnähten und Mischnähten mit künstlich eingebrachten Testfehlern präsen-tiert. Die Ergebnisse der direkten Fehlergrößen- und -lagebestimmung werden mit den Resultaten konventioneller Prüftechniken verglichen.