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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.
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.
Ray tracing boundary value problems: simulation and SAFT reconstruction for ultrasonic testing
(2016)
The application of advanced imaging techniques for the ultrasonic inspection of inhomogeneous anisotropic materials like austenitic and dissimilar welds requires information about acoustic wave Propagation through the material, in particular travel times between two Points in the material. Forward ray tracing is a popular approach to determine traveling paths and arrival times but is ill suited for inverse problems since a large number of rays have to be computed in order to arrive at prescribed end points.
In this contribution we discuss boundary value problems for acoustic rays, where the ray path between two given points is determined by solving the Eikonal equation. The implementation of such a two Point boundary value ray tracer for sound field simulations through an austenitic weld is described and its efficiency as well as the obtained results are compared to those of a forward ray tracer. The results are validated by comparison with experimental results and commercially available UT simulation tools.
As an application, we discuss an implementation of the method for SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) reconstruction. The ray tracer calculates the required travel time through the anisotropic columnar grain structure of the austenitic weld. There, the formulation of ray tracing as a boundary value Problem allows a straightforward derivation of the ray path from a given transducer Position to any pixel in the reconstruction area and reduces the computational cost considerably.
The synthetic aperture focusing technique (SAFT) is an imaging technique commonly used in ultrasonic inspection. In order to apply SAFT to the inspection of austenitic welds, the inhomogeneous anisotropic nature of the weld structure has to be taken into account. A suitable approach to accomplish this, is to couple the SAFT-algorithm with a ray tracing program (RT-SAFT). While SAFT-imaging of cracks in austenitic welds by use of ray tracing has been carried out before, all attempts so far were limited to longitudinal cracks which usually allows a treatment as 2-dimensional problem. In case of transverse cracks, a full 3-dimensional ray tracing is necessary in order to perform a SAFT-reconstruction. In this paper, we give an outline of our attempts to reconstruct images of transverse cracks in austenitic welds, utilizing 3-dimensional ray tracing and a layered structure model derived from an empirical model of grain orientations in welds. We present results of this RT-SAFT on experimental data taken from transverse cracks in different austenitic welds, which show that size and position of the cracks can be estimated with good accuracy, and compare them to images obtained by assuming an isotropic homogeneous medium which corresponds to the application of the classical SAFT-algorithm.
Guided waves are increasingly a subject of great interest in nondestructive testing. An example of research in this field is the development of a novel procedure for ultrasonic testing of wheelset-axles using guided waves, which requires to treat the wheelset-axle as a thick walled cylinder with varying thickness. In order to describe ultrasound propagation in a waveguide with non-constant thickness, a multimodal approach, which allows to avoid extensive mesh-based numerical calculations, seems to be promising. The method treats the modes of a corresponding waveguide with constant thickness as a base in which an arbitrary sound field can be expressed. Since the local sound field at any given position in the waveguide with varying thickness will be a combination of these base modes, the problem is reduced to solving the differential equation that governs the evolution of the coefficients in the mode spectrum along the waveguide. Once the description of the sound field along the waveguide is obtained, the time dependence is added by multiplication with a simple oscillating term. Simulations of pulse propagation through the waveguide can then be constructed by adding up a sufficient number of mono-frequent continuous wave solutions. As an early stage in developing a simulation tool for sound propagation in thick walled cylinders with varying thickness, the multimodal approach was implemented and tested for the simple case of plate geometries. In this work, an overview of the simulations carried out for plates with non-constant thickness is presented. The performance of the algorithm based on the multimodal approach and the obtained results are compared to those of mesh-based simulation tools.