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Ultrasonic investigation of inhomogeneous anisotropic materials such as austenitic welds is complicated because its columnar grain structure leads to curved energy paths, beam splitting and asymmetrical beam profiles. A ray tracing model has potential advantage in analyzing the ultrasonic sound field propagation and there with optimizing the inspection parameters. In this contribution we present a 2D ray tracing model to predict energy ray paths, ray amplitudes and travel times for the three wave modes quasi longitudinal, quasi shear vertical, and shear horizontal waves in austenitic weld materials. Inhomogenity in the austenitic weld material is represented by discretizing the inhomogeneous region into several homogeneous layers. At each interface between the layers the reflection and transmission problem is computed and yields energy direction, amplitude and energy coefficients. The ray amplitudes are computed accurately by taking into account directivity, divergence and density of rays, phase relations as well as transmission coefficients. Ultrasonic sound fields obtained from the ray tracing model are compared quantitatively with the 2D Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT). The excellent agreement between both models confirms the validity of the presented ray tracing results. Experiments are conducted on austenitic weld samples with longitudinal beam transducer as transmitting probe and amplitudes at the rear surface are scanned by means of electrodynamical probes. Finally, the ray tracing model results are also validated through the experiments.
Ultrasound propagation in inhomogeneous anisotropic materials is difficult to examine because of the directional dependency of elastic properties. Simulation tools play an important role in developing advanced reliable ultrasonic testing techniques for the inspection of anisotropic materials particularly austenitic cladded materials and dissimilar welds. A 2-D Ray tracing method is developed for evaluating ray path, amplitude and travel time for three wave modes namely quasi longitudinal wave (qP), quasi shear vertical wave (qSV) and shear horizontal waves (SH) in anisotropic materials such as austenitic cladded materials. The inhomogenity in the anisotropic material is represented by discretizing the anisotropic region into several homogeneous layers. The ray paths are traced during its propagation through the various interfaces between those layers. At each interface the problem of reflection and refraction is solved. The ray amplitudes are computed by taking into account the directivity and phase relations. Ray divergence variation and ray transmission coefficients at each refraction boundary are considered. The Ray tracing results for ultrasonic field profiles in austenitic cladded materials are validated quantitatively by 2-D Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) results and by the experiments.
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.
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.
This article describes a comprehensive quantitative analysis on effect of columnar grain orientation on ultrasonic plane wave energy reflection and transmission behaviour in acoustically anisotropic austenitic weld materials. The quantitative results are presented for following general interfaces (a) Isotropic-Anisotropic, (b) Anisotropic-Isotropic, (c) Fluid-Anisotropic, (d) Anisotropic-Fluid, (e) Anisotropic-Anisotropic, (f) Anisotropic-Free surface occur during the ultrasonic non destructive evaluation of austenitic weld materials. Explicit analytical expressions are presented for energy reflection and transmission coefficients at an interface between two arbitrarily oriented transversely isotropic materials. By applying explicit analytical expressions for energy reflection and transmission coefficients, numerical results are presented for several columnar grain orientations of the transverse isotropic austenitic weld material including both real and complex domain of the reflected and transmitted normal component of slowness vectors. Valid domains of incident wave vector angles, angular dependency of energy reflection and transmission coefficients and critical angles for reflected and transmitted waves are discussed. The existence of a reflected (or) transmitted second branch of quasi shear vertical waves and its consequence to the ultrasonic non destructive testing of austenitic weld materials are investigated. The presented comprehensive quantitative evaluation provides an overview on the effect of anisotropic properties on energy reflection and transmission coefficients in columnar grained austenitic weld materials.
Die Arbeitsgruppe 5 der Europäischen Föderation für Zerstörungsfreie Prüfung (EFNDT Working Group 5 'Public Security and Safety', EFNDT WG 5) verfolgt weiterhin das Ziel, organisatorisch weit auseinanderliegende Zuständigkeiten und Arbeitsgebiete zusammenzuführen, die weitgehend mit gleichen, zumindest ähnlichen Prinzipien und Methoden arbeiten. Auf der Suche nach neuen Wegen stoßen beide Seiten auf Gemeinsamkeiten. Dies gilt auch für neue Ansätze und Bewertungsmethoden von Techniken, mit denen Risiken vermindert werden sollen. Hierzu hat in Berlin ein Workshop im Oktober 2012 stattgefunden, auf dem parallele Projekte zur Container- und Frachtsicherheit zusammengeführt werden konnten. Herausgestellt wurde die Komplementarität der laufenden Projekte, gemeinsame Aspekte sollen künftig auch zusammen bearbeitet werden. Darüber hinaus wurden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, aber auch die Sichtweise der Europäischen Kommission mit ihren Vorstellungen zu einem europäischen Markt für Sicherheitstechnik dargestellt. Angesprochen wurden bestehende und vorgeschlagene europaweite Regulierungen und das europäische Referenznetz zum Schutz kritischer Infrastrukturen (ERNCIP), welches ein Netzwerk von Laboratorien für den Test von Sicherheitstechnik zum Ziel hat. Auf technischem Sektor standen Methoden im Vordergrund, mit denen die Gesamtmenge eines Gefahrstoffes wie z. B. Sprengstoff erkannt werden kann, und nicht nur Spuren als indirekter Hinweis. Die Arbeitsgruppe konnte somit erstmalig ein neutrales Forum für parallel laufende Projekte zur öffentlichen Sicherheit zur Verfügung stellen. Die auf den Workshops 2010 bis 2012 in Berlin gehaltenen Vorträge sind auf der Webseite des EFNDT WG 5 im geschützten Bereich zu finden. Nicht alles davon ist geeignet, es der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Deshalb sind alle Vorträge aus den Workshops in einem passwortgeschützten Verzeichnis abgelegt. Die Erteilung des Passwortes erfolgt über den Convenor der Arbeitsgruppe durch die EFNDT. Eine Erweiterung dieser Struktur zu einem Austauschforum ist vorgeschlagen. Zur Teilnahme daran sind nicht nur Mitglieder in den Gesellschaften für zerstörungsfreie Prüfung eingeladen, sondern auch diejenigen, die in den Anwendungsgebieten zur öffentlichen Sicherheit tätig sind.
Radiological inspections, in general, are the nondestructive testing (NDT) methods to detect the bulk of explosives in large objects. In contrast to personal luggage, cargo or building components constitute a complexity that may significantly hinder the detection of a threat by conventional X-ray transmission radiography. In this article, a novel X-ray backscatter technique is presented for detecting suspicious objects in a densely packed large object with only a single sided access. It consists of an X-ray backscatter camera with a special twisted slit collimator for imaging backscattering objects. The new X-ray backscatter camera is not only imaging the objects based on their densities but also by including the influences of surrounding objects. This unique feature of the X-ray backscatter camera provides new insights in identifying the internal features of the inspected object. Experimental mock-ups were designed imitating containers with threats among a complex packing as they may be encountered in reality. We investigated the dependence of the quality of the X-ray backscatter image on (a) the exposure time, (b) multiple exposures, (c) the distance between object and slit camera, and (d) the width of the slit. At the end, the significant advantages of the presented X-ray backscatter camera in the context of aviation and port security are discussed.
Zur Durchstrahlung großer, dichter Objekte reichen die Energien, die mit normalen Röntgenröhren erzielt werden können, ab gewissen Schichtdicken nicht mehr aus. Als hochenergetische Strahlenquellen stehen Kobalt-60 und Elektronenbeschleuniger zur Verfügung. Als Einschränkung der Hochenergieradiografie ist der geringere Kontrast besonders beim Vorhandensein leichterer Objekte umgeben von Körpern bestehend aus schweren Elementen anzusehen. Es ist daher zu erwarten, dass Objekte aus organischen Substanzen hinter dicken Schwermetallwänden oder in Bohrungen von Metallblöcken schwer zu erkennen sind. Im Unterschied zu einem Gammastrahler wie Kobalt-60 mit den beiden Spektrallinien um 1,3 MeV besitzt die Bremsstrahlung aus einem Beschleuniger einen wesentlichen Anteil an niederenergetischer Strahlung, der fließend zu höheren Energien übergeht. Es wird hier untersucht, welche Signaturen von leichten Materialien in einer Umgebung aus Schwermetall bis zu welcher Dicke und bis zu welchem Komplexitätsgrad erkennbar sind. Mit einem Betatron (JME X-ray Betatron 7,5 MeV) und einem Matrixdetektor (Perkin Elmer XRD 1621) wurden Aufnahmen von unterschiedlichen leichten Objekten angefertigt, die zunehmend in eine Umgebung aus Schwermetallen gestellt wurden. Mit unterschiedlichen Energieeinstellungen wurde untersucht, inwieweit eine Materialerkennung hinter welcher Abschirmung möglich ist. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Simulationen verglichen, die mit einer Software zur Modellierung von Durchstrahlungsverfahren (aRTist) erzeugt wurden. Dabei wird dem Problem der Aufhärtung bei Anwendung von Bremsstrahlung Rechnung getragen. Die Ergebnisse können sowohl zur Erkennung von Fremdkörpern in Maschinen oder Pumpen als auch zur Überprüfung von Frachtladungen im Bereich der öffentlichen Sicherheit und bei Zollkontrollen dienen.
Der große praktische Vorteil der Rückstreuradiografie allgemein ist, dass kein Bilddetektor am Objekt auf der der Strahlenquelle gegenüberliegenden Seite aufgestellt werden muss. Dieses ist immer dann gegeben, wenn sich das Untersuchungsobjekt in oder an einer Wand befindet oder es so groß ist, dass eine Durchstrahlung aufgrund der zu durchdringenden Schichtdicken nicht infrage kommt. Von der üblichen Methode, das Objekt mit einem wandernden ausgeblendeten Einzelstrahl ('Bleistiftstrahl') abzutasten und die gesamte rückgestreute Strahlung großflächig zu registrieren, unterscheidet sich das hier verwendete Verfahren grundsätzlich. Das Objekt wird voll von einem (unkollimierten) Kegelstrahl angestrahlt. Das Bild wird mit einer Kamera aus absorbierendem Material (Wolfram, Blei) aufgenommen, die einen Matrixdetektor als Bildempfänger enthält. Die 'Optik' besteht aus einer besonders geformten Schlitzblende, die nach einem erweiterten Lochkameraprinzip arbeitet, das auch dickere Blendenmaterialschichten zulässt. Die voneinander unabhängige Positionierung von Kamera und Strahlenquellen erlaubt unterschiedliche Einstrahlgeometrien, die verschiedene Ergebnisbilder liefern. So erscheint ein komplexer Gegenstand vor einer rückstreuenden Wand völlig anders, als wenn er frei im Raum steht. Röntgenrückstreubilder müssen deshalb abhängig von ihrer 'Ausleuchtung' mit der Röntgenstrahlung und näheren Umgebung interpretiert werden.
Ultrasound propagation in inhomogeneous anisotropic materials is difficult to examine because of the directional dependency of elastic properties. Simulation tools play an important role in developing advanced reliable ultrasonic non destructive testing techniques for the inspection of anisotropic materials particularly austenitic cladded materials, austenitic welds and dissimilar welds. In this contribution we present an adapted 2D ray tracing model for evaluating ultrasonic wave fields quantitatively in inhomogeneous anisotropic materials. Inhomogeneity in the anisotropic material is represented by discretizing into several homogeneous layers. According to ray tracing model, ultrasonic ray paths are traced during its energy propagation through various discretized layers of the material and at each interface the problem of reflection and transmission is solved. The presented algorithm evaluates the transducer excited ultrasonic fields accurately by taking into account the directivity of the transducer, divergence of the ray bundle, density of rays and phase relations as well as transmission coefficients. The ray tracing model is able to calculate the ultrasonic wave fields generated by a point source as well as a finite dimension transducer. The ray tracing model results are validated quantitatively with the results obtained from 2D Elastodynamic Finite Integration Technique (EFIT) on several configurations generally occurring in the ultrasonic non destructive testing of anisotropic materials. Finally, the quantitative comparison of ray tracing model results with experiments on 32 mm thick austenitic weld material and 62 mm thick austenitic cladded material is discussed.