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Angeregt durch experimentelle Arbeiten zur hochauflösenden Ultraschallprüfung mit fokussierenden Prüfköpfen wird mit Hilfe von Modellrechnungen der Einfluss verschiedener Schallfeld- und Reflektorparameter auf die Echohöhe untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei das Verhalten typischer Testreflektoren wie der Kreisscheibenreflektor und die Querbohrung in "verformten" Schallfeldern, die durch Bauteilkrümmungen und Fokussierung entstehen können. Für solche Fälle lassen sich Abstandskurven (DAC) für verschiedene Reflektortypen rechnerisch erstellen und der experimentelle Aufwand erheblich reduzieren. Ein deutlicher Fortschritt wurde durch die Weiterentwicklung des Schallfeldmodells erreicht, das insbesondere für die Entwicklung neuer Typen von Gruppenstrahlerprüfköpfen unverzichtbar ist. Die Gültigkeit des Modells wird durch bisherige Messergebnisse bestätigt.
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.
With the increasing of the storage capability of digitised data and the development of advanced ultrasonic equipment a characterisation of detected defects is possible without new measurements. If the A-scan is stored in a video form (rectified A-scan) or in a high frequency form evaluation techniques like SAFT or echotomography are applicable with advantage. Therefore in some of the cases an estimation of the defect size is reached by the evaluation of the ultrasonic data collected with conventional detection techniques. This is an advantage in relation to the past, because the application of a separate analysis technique is mostly not necessary, therefore time and money is saved.
In the present contribution experimental results received in the laboratory are presented. The application of the TOFD approach for defect detection and sizing of crack like defect in heavy components is demonstrated whereas the probes are coupled on the carbon steel surface as well as on the cladded surface. An important point would be the influences of the anisotropic cladding material in relation to the defect sizing using the TOFD technique. These results will be compared with those received with TR longitudinal wave probes and with shear wave probes.
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.
Anwendung von Modellen zur Echohöhenbewertung von Prüfköpfen mit ungewöhnlicher Schwingergeometrie
(2005)
Anwendung von Modellen zur Echohöhenbewertung von Prüfköpfen mit ungewöhnlicher Schwingergeometrie
(2005)
Anwendung von Modellen zur Echohöhenbewertung von Prüfköpfen mit ungewöhnlicher Schwingergeometrie
(2005)
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 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.
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.
Progress in acoustical defect sizing NDT methods for the inspection of power-plant components
(2012)
The demand of improved NDT methods with proper visualization and sizing
capabilities is a persistent trend in maintenance and manufacturing quality inspection.
Especially when dealing with high quality standards in conjunction with safety-critical
components in the sector of energy and transportation quantitative NDT techniques are
vital to provide reliable quality control systems and a corresponding deeper insight into
the component structure for a further fracture-mechanical estimation. The paper thus
focuses the progress of the defect sizing capabilities of modern Ultrasonic Testing
(UT). In Ultrasonic Testing the SAFT-algorithm (Synthetic Aperture Focusing
Technique) currently experiences a renaissance. The method is based on combining the
data of different transducer positions with their corresponding varied propagating time
and it is currently applied in several industrial applications. SAFT enhances the SNR
and the spatial resolution and is thus a valuable tool when it comes to improved
defect detection and sizing. A tomographic-like data mapping is illustrated on several
examples, where adapted phased array systems were used for the inspection of turbine
components and also for a cladded mock-up of a nuclear reactor pressure vessel. In a
statistical investigation we also performed a comparison with other defect sizing
methods like TOFD (Time of flight diffraction).
The Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) is an algorithm applied in non-destructive ultrasonic testing which provides an image of flaws within a specimen. The image is reconstructed from A-scans measured at different positions. Reliable evaluation of the images obtained by the SAFT-algorithm, however, depends on the representation of the reconstructed data, which is initially given in terms of positive and negative local values only. A suitable way of processing this data for evaluation is to calculate the envelope, which can be achieved by means of the analytic signal. The extension of this concept to the multidimensional case is neither trivial nor unique and although extensive work on this subject has been carried out in the past, a correct envelope calculation in multidimensional data remains difficult since it depends on an additional condition, namely the separability of the signal. In this paper, the concept of analytic signals with single-quadrant spectra is applied to process 2-dimensional data obtained by the SAFT-algorithm. Furthermore, we present a procedure to overcome the limitations of that approach by selecting local magnitude values from a number of rotated frames after evaluating the signals separability in each frame, which is briefly validated against synthetic and experimental data.
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.
Bei der Prüfung von gekrümmten Bauteilen in Tauchtechnik muss man die Veränderung des Schallfeldes durch die Form der Oberfläche berücksichtigen. Insbesondere bei hochauflösenden Ultraschallprüfungen mit Fokusprüfköpfen kommt es hierbei zu drastischen Verzerrungen des Schallfeldes.
Diese Verzerrungen sind bei der Empfindlichkeitseinstellung sowie bei der Auslegung von Fokuspunkt- und Spurabstand zu berücksichtigen, um eine ausreichende Prüfempfindlichkeit zu erreichen. Es werden Beispiele von Simulationsrechnungen an typischen Prüfanordnungen vorgestellt.
Die wiederkehrende zerstörungsfreie Prüfung von längs gebohrten
Eisenbahnradsatzwellen mit Ultraschall erfolgt im eingebauten Zustand aus der Wellenbohrung heraus. Neben den aufzufindenden Fehleranzeigen erzeugt aufgrund der geometrischen Bedingungen der Radsatzwelle hierbei jeder Querschnittsübergang eine umlaufende Formanzeige in der Ergebnisdarstellung. Durch den Prozess des Aufschrumpfens der Radscheiben auf die Sitze können weiterhin örtlich statistisch verteilte Bereiche im Sitz entstehen, die bei der Ultraschallprüfung Anzeigen hervorrufen, die so genannten Scheinanzeigen. Insbesondere in den Bereichen der Querschnittsübergänge ist zum einen die Prüfsituation sehr komplex, zum anderen ist hier die Wahrscheinlichkeit für eine Rissbildung am höchsten. Bei der Befundanalyse stößt die derzeit verwendete Prüftechnik in diesen Bereichen an ihre Grenzen, so dass nicht immer eine eindeutige Prüfaussage erfolgen kann. Im Bericht werden Lösungsansätze für Analyseverfahren vorgestellt, die auf Basis der Gruppenstrahlertechnik bzw. mit Fokusprüfköpfen in Verbindung mit dem Einsatz von Signalverarbeitung vielversprechende Ergebnisse zur Optimierung dieser Situation aufzeigen.
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.
This paper describes the investigations, carried out during the ongoing European Project WOLAXIM. It presents the development of the non-destructive testing system for hollow axle inspection. The phased array probe is designed, the inspection parameters are determined and the required test equipment is planned according to the specifications.
As a part of the probe design, a detailed model to calculate the sound field of the conical phased array is developed. With this model the optimal geometric parameters for bore diameters from 30mm up to 70mm are determined. The first design of a conical probe with forty-eight elements is realised. Based on this design a mock-up with ten elements is produced. The first practical tests with the calculated delay laws show high sensitivity for small test flaws and offer good agreement with the modelling results. The effectiveness as well as the sensitivity with a good signal to noise ratio is verified.
The parameters for a short inspection time less than five minutes per axle are determined. A raw scanning with 1.5° circumferential and 2mm axial resolution is feasible within two minutes. That is significantly faster than comparable mechanically rotated probe systems. The remaining three minutes are sufficient for the other steps in the inspection process. The required features will be fulfilled by the COMPAS® phased array device.
The feasibility of the ultrasonic system is shown. The specification and the theoretical probe design are complete and sufficient knowledge is present that the system will be viable. The results of the modelling and first practical tests show a good agreement with the objectives. The determined probe parameters satisfy the requirements.
Die Gefährdung durch Pipelines ist in der Öffentlichkeit wegen zahlreicher Berichte über Unfälle weitgehend präsent. Warum? Weil jeder Unfall die Gefahr von massiven Umweltschäden mit sich bringt und bei Leitungen, die durch besiedeltes Gebiet führen, sogar mit menschlichen Opfern verbunden sein kann. Thema dieses Beitrags ist ein neuartiges Ultraschall-Verfahren, das eine schnellere, sichere und kostengünstigere Prüfung derartiger Rohrleitungssysteme erlaubt.
We present a generalized analytical model of thermo-acoustic sound generation based on the analysis of thermally induced energy density fluctuations and their propagation into the adjacent matter. The model provides exact analytical prediction of the sound pressure generated in fluids and solids; consequently, it can be applied to arbitrary thermal power sources such as thermophones, plasma firings, laser beams, and chemical reactions. Unlike existing approaches, our description also includes acoustic near-field effects and sound-field attenuation. Analytical results are compared with measurements of sound pressures generated by thermo-acoustic transducers in air for frequencies up to 1 MHz. The tested transducers consist of titanium and indium tin oxide coatings on quartz glass and polycarbonate substrates. The model reveals that thermo-acoustic efficiency increases linearly with the supplied thermal power and quadratically with thermal excitation frequency. Comparison of the efficiency of our thermo-acoustic transducers with those of piezoelectric-based airborne ultrasound transducers using impulse excitation showed comparable sound pressure values. The present results show that thermo-acoustic transducers can be applied as broadband, non-resonant, high-performance ultrasound sources.
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.
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.
This report describes the methodology of the reliability investigation performed on the ultrasonic
phased array NDT system, developed by SKB in collaboration with Posiva, for inspection of the
canisters for permanent storage of nuclear spent fuel.
The canister is composed of a cast iron insert surrounded by a copper shell. The shell is composed
of the tube and the lid/base which are welded to the tube after the fuel has been place, in the
tube. The manufacturing process of the canister parts and the welding process are described.
Possible defects, which might arise in the canister components during the manufacturing
or in the weld during the welding, are indentified.
The number of real defects in manufactured components have been limited. Therefore the reliability
of the NDT system has been determined using a number of test objects with artifical defects.
The reliability analysis is based on the signal response analysis. The conventional signal response
analysis is adopted and further developed before applied on the modern ultrasonic phased-array
NDT system. The concept of multi-parameter a, where the response of the NDT system is dependent
on more than just one parameter, is introduced. The weakness of use of the peak signal response
in the analysis is demonstrated and integration of the amplitudes in the C-scan is proposed as an
alternative. The calculation of the volume POD, when the part is inspected with more configurations,
is also presented. The reliability analysis is supported by the ultrasonic simulation based on the
point source synthesis method.
In the last two decades automated ultrasonic inspection devices took over a lot of applications that prior have been carried out using manual inspection with the evaluation of A-scans only. In parallel phased array systems have been developed and brought to the market which offer detailed and fast control over the sound field. When applying automated inspection phased array systems for UT measurements imaging of the recorded data in combination with the probe positioning data is used for the evaluation of inspections. B-Scan, C-Scan and S-Scan images are typically used with this setup.
For more sophisticated applications with linear arrays echo tomography and syntethic aperture focusing technique (SAFT) are well known methods and often applied for high resolution image reconstruction. Since channel count of phased array systems is constantly rising, matrix arrays with up to 256 elements entered the market. Signal processing in the matrix domain became 3D. Since some years the Total Focusing Method (TFM) is an additional imaging tool for these type of application. It is based on the Full Matrix Capture (FMC) using the elements of phased array probes as separate transmitters and receivers.
In this contribution we discuss the common ground of SAFT and TFM as well as the differences between these imaging tools. The combined use of automated inspection, matrix arrays and signal processing for high resolution measurements is a challenging task where a very long parameter list has to be taken into account. Under which conditions which elements of the full matrix should be taken for the reconstruction for best results?
Based on examples taken from measured and simulated echo signals it will be shown how image resolution can be optimized in dependence of different parameters like the distance between transmitters and receivers and their directivity patterns, the depth of echo source and the specimen geometry.
SAFT für die Rissflächenanalyse - Vergleich von Modellrechnungen und Gruppenstrahlermessungen
(2009)
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.
Bei der automatisierten Prüfung von Stangen mit Ultraschall-
Gruppenstrahlertechnik besteht grundsätzlich die Möglichkeit, Prüfkopfparameter
wie Einschallwinkel, Fokustiefe und Schallbündelbreite programmgesteuert an sich
verändernde Prüfbedingungen anzupassen. Zu diesen zählt die Temperatur des
Koppelmediums (Wasser), die in einem Bereich von 10°C bis 50°C liegen kann, was
zu unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten führt und den Einschallwinkel
verändert. Mit der Folge, dass unter Umständen die geforderte 100%-Abdeckung
des Prüfvolumens nicht mehr gewährleistet ist.
Auch geometrische Abweichungen, wie sie durch die fertigungsbedingte Streuung
des Prüflings gegeben sind, können Einfluss auf das Prüfergebnis nehmen. So
führen Abweichungen vom idealen Geradheitszustand zu Fehlpositionierungen des
Prüfkopfs, was wiederum Einfluss auf die Lage und Beschaffenheit des Schallbündels
in der Stange hat. Ähnliches gilt für nicht vollkommen kreisförmig ausgebildete
Stangendurchmesser, die unterschiedliche Schalleintrittsbedingungen bewirken und
Abweichungen von den theoretisch ermittelten Werten zur Folge haben.
Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Forschungsvorhabens wurde der Einfluss
dieser Parameter untersucht und ihre Auswirkungen für den Betrieb einer
automatisierten Prüfanlage unter realen Betriebsbedingungen ermittelt. Dies betrifft
vor allem den maximal möglichen Schallbündelversatz innerhalb des Arrays, der die
Anzahl der erforderlichen Prüftakte bestimmt und damit die maximale
Vorschubgeschwindigkeit des Prüflings. Des Weiteren werden Möglichkeiten zur
programmgesteuerten Kompensation der untersuchten Temperatur- und
Geometrieabweichungen durch eine flexible Anpassung der Gruppenstrahler-
Prüfkopfparameter aufgezeigt.
Stress corrosion cracking is a transcrystalline or intercrystalline crack formation in materials which
occurs under the influence of static tensile stress or residual stress and a specific aggressive
medium such as chloride containing substances.
This special sort of crack formation is involved in complex crack configurations, which may
only insufficiently be captured by conventional ultrasonic probes with fixed angles of incidence.
Only a number of different beam angles produce sufficient reflection to reconstruct the complete
defect shape from measured ultrasonic data. The SAFT algorithm, which was recently successfully
used in many industrial NDT-applications, is a promising tool for the reconstruction process. In
addition, the combination of phased array technique and SAFT was developed in several projects
by BAM, Berlin. Investigations using phased array equipment were performed to look into crack
configurations in test blocks with different surface curvatures. UT-SAFT has been used for the
analysis of spark-eroded notches simulating stress corrosion cracks at the thermo sleeve weld of a
nozzle. For comparison, UT-SAFT has also been applied for the analysis of real reflectors at the
same position in a nozzle used in a power plant, which was repaired later on. SAFT-scans received
from reconstructed ultrasonic measurement data confirm the practical usefulness of the SAFTalgorithm
developed by BAM.
SAFT für die Rissflächenanalyse - Vergleich von Modellrechnungen und Gruppenstrahlermessungen
(2009)
With increased usage of highly demanded, modern materials on safety
relevant parts (e.g. railway wheel sets, generator shafts, turbine disks, medical
implants, etc.) comprehensive analyses regarding the quality of the material are
requested. This gives a focus to non-destructive methods using ultrasound immersion
tank testing for classifying the degree of purity. Two autonomous standards,
ASTM E588 and SEP 1927, have been established for the definition, execution and
evaluation for this high resolution ultrasonic measurements on steel products.
The propagation of ultrasonic waves and the resulting sound field are strongly
dependent on the acoustical properties of the inspected material and the geometry
of probes and specimen. The definition of the measurement setup and the evaluation
methods appear to differ significantly in the given standards. ASTM E588 and
SEP 1927 prescribe the requirement for surface roughness and probe selection, are
using threshold based methods for cleanliness detection, but differ in computation
for the degree of purity. This has been the motivation for a comparison between
both standards with the main focus on amplitude depth dependency and overall spatial
resolution taking the influence of different material characteristics, geometry of
the specimen and sound fields into account.
A performance comparison between the use of non-focusing and focusing probes
respective to the threshold based detection will be presented in this contribution. In
addition, the usage of complex reconstruction algorithms (e.g. SAFT, echo tomography)
is compared with the traditional approaches of inclusion detection and
estimation of the degree of purity
Die Zahl der industriellen Anwendungen mit Einsatz von Faserverbundwerkstoffen wächst kontinuierlich vor allem wegen der exzellenten Materialeigenschaften und des geringen Gewichtes dieses Werkstoffes. Entsprechend steigen die Anforderungen an zerstörungsfreie Prüfsysteme zur Gewährleistung des sicheren Betriebes von Komponenten und Strukturen bestehend aus Verbundwerkstoffen.
Im Rahmen des EU-Projekes VITCEA (Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications) wird das Ziel verfolgt, neue Prüfverfahren für moderne Verbundwerkstoffe zu entwickeln und zu validieren. Im Vordergrund steht hierbei als Applikation im Industriesektor Energieversorgung die Prüfung von sicherheitsrelevanten Komponenten von onshore und offshore Windkraftanlagen, wie z.B. deren Rotorblätter und tragende Strukturen.
Eine Teilaufgabe innerhalb des Projektes stellen der Vergleich und die Validierung verschiedener Ultraschallprüfmethoden bezüglich ihrer Fähigkeit zum Nachweis der typischen Herstellungs- und betriebsbedingten Materialschädigungen von CFK und GFK dar.
Neben verschiedenen konventionellen Ultraschall-Prüftechniken, werden die Phased-Array-Prüfung, insbesondere die Prüfung mit Matrixarrays, sowie die Untersuchung mit berührüngsloser Luftultraschalltechnik bezüglich ihrer Nachweisgrenzen und der Möglichkeiten zur Fehlercharakterisierung an Faserverbundwerkstoffen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Untersuchungen mit thermographischen Methoden und Mikrowellentechnik verglichen.
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.
Electromagnetic waves with frequencies between 0.1 and 10 THz are described as THz-radiation (T-ray). The ability to penetrate dielectric materials makes T-rays attractive to reveal discontinuities in polymer and ceramic materials. THz-Time Domain Spectroscopy Systems (THz-TDS) are available on the market today which operates with THz-pulses transmitted and received by optically pumped semiconductor antennas. In THz-TDS the travelling time (ToF) and shape of the pulse is changed if it interacts with the dielectric material and its inherent discontinuities.
A tomogram of the object under the test can be reconstructed from time of flight diffraction (ToFD) scans if a synthetic focusing aperture (SAFT) algorithm is applied. Otherwise, planar discontinuities like cracks in plastics or delaminated layers in composites can be abstracted as layers located at any angle in relation to the outer sample surface direction. A tomogram from the scanned sample can then be reconstructed in case the interactions of electromagnetic pulses with the existing inherent interfaces are detectable and a model is assumed which describes the device under the test as multilayer structure composed of thin layers with different dielectric properties.
A short description of both the SAFT – and Optical Layer algorithm for the reconstruction of the inherent structure is initially given. Measurements on representative samples with a variety of artificially produced small and large scale. Reconstructed tomograms are presented to discuss and evaluate the benefits and limits of the two different reconstruction approaches.
Kegel-Phased-Array für die schnelle Ultraschallprüfung von längsgebohrten Eisenbahnradsatzwellen
(2018)
Durch die Verwendung von Ultraschall - Phased Arrays lässt sich in vielen Fällen sowohl die Prüfgeschwindigkeit als auch die Zuverlässigkeit der Prüfung erhöhen. Für die Prüfung von Eisenbahnradsatzwellen ist die Phased Arraytechnik schon verbreitet, jedoch vor allem für die Prüfung von Vollwellen. Die Prüfung von längsgebohrten Eisenbahnrad¬satzwellen erfolgt typischerweise mit einer Anzahl von konventionellen Prüfköpfen, die rotierend durch die Längsbohrung bewegt werden. Dabei werden weder die Achsen und Räder noch die Bremsscheiben demontiert.
Ein neuer Ansatz für die Prüftechnik ist die Verwendung eines rotations-symmetrischen kegelförmigen Phased Arrays in Tauchtechnik. Die Abtastung in Umfangs-richtung erfolgt durch elektronische Rotation des Schallfeldes, was viel höhere Prüfge-schwindigkeiten ermöglicht und den mechanischen Aufwand des Prüfsystems erheblich reduziert. Nur die Bewegung des Sensorsystems in axialer Richtung innerhalb der Bohrung erfolgt mechanisch. Senkrecht zur Bauteilachse kann das Schallbündel durch die Phased Arraysteuerung in Umfangsrichtung exakt ausgerichtet und im Abstand der Prüfbereiche nahe der Außenoberfläche der Radsatzwelle fokussiert werden.
Die Konstruktionsparameter des Kegelarrays wurden speziell optimiert zum Auffinden von rissartigen Querfehlern in und in der Nähe der äußeren Oberfläche von längsgebohrten Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen. Die Fehlerfläche liegt dabei in der Querschnittsfläche des Bauteils. Im Beitrag werden der Prototyp des neuen Sensorsystems und erste Prüfergebnisse gezeigt. Die Arbeiten wurden durchgeführt im Rahmen des Europäischen Projektes “Whole Life Rail Axle Assessment and Improvement Using Ultrasonic Phased array and Corrosion Inspection Systems“ (RAAI).
Matrix phased array probes are becoming more prominently used in industrial applications. The main drawbacks, using probes incorporating a very large number of transducer elements, are needed for an appropriate cabling and an ultrasonic device offering many parallel channels. Matrix arrays designed for extended functionality feature at least 64 or more elements. Typical arrangements are square matrices, e.g., 8 by 8 or 11 by 11 or rectangular matrixes, e.g., 8 by 16 or 10 by 12 to fit a 128-channel phased array system. In some phased array systems, the number of simultaneous active elements is limited to a certain number, e.g., 32 or 64. Those setups do not allow running the probe with all elements active, which may cause a significant change in the directivity pattern of the resulting sound beam. When only a subset of elements can be used during a single acquisition, different strategies may be applied to collect enough data for rebuilding the missing information from the echo signal. Omission of certain elements may be one approach, overlay of subsequent shots with different active areas may be another one. This paper presents the influence of a decreased number of active elements on the sound field and their distribution on the array. Solutions using subsets with different element activity patterns on matrix arrays and their advantages and disadvantages concerning the sound field are evaluated using semi-analytical simulation tools. Sound field criteria are discussed, which are significant for non-destructive testing results and for the system setup.
Applications of fibre reinforced plastic (FRP) composites in modern industries are increasing due to their considerable advantages such as light weight and excellent mechanical properties. Accordingly, importance of operational safety of modern structures made of advanced composites by ensuring the material quality has led to increasing demands for development of non-destructive evaluation (NDE) systems. In the context of a European project entitled “Validated Inspection Techniques for Composites in Energy Applications” (VITCEA), the aim is to develop and validate traceable procedures for novel NDE techniques with contrasting damage detection capabilities in energy related applications such as wind and marine turbine blades, nacelles, oil and gas flexible risers. Accordingly, VITCEA focuses on optimization of ultrasonic tests (UTs) for quantitative defect detection and quality characterization of FRP structures. In this context, the present study describes the ultrasound field in heterogeneous composite materials. The theoretical predictions are compared with simulation results obtained from CIVA a software package dedicated to NDT simulations based on the asymptotic ray theory.
Hollow axle inspection can be performed without demounting the axles and without dismantling the wheels and the brake discs by using the drilling for the scan. To increase inspection reliability and inspection speed, the application of phased array systems instead of conventional probes is a good choice. For solid shaft inspection phased array setups became standard in the recent years. Nevertheless, for hollow axle inspection typically a number of conventional probes rotating through the axles drilling are applied.
The new approach uses an electronically steered rotating sound field from a phased array for the circumferential scan. This is realized by a cone shaped phased array which operates in immersion technique. That allows a significant increase in inspection speed and a reduction of the mechanical effort of the inspection system. The inspection can be carried out by a linear movement of the probe setup along the axles drilling. Applying additional focal laws allows exact inclination and focusing of the sound beam in the plane vertical to the specimen axis to concentrate the sound in the zones close to the external surface. An additional focus in the plane of incidence increases overall resolution and sensitivity.
The cone type phased array probe has been optimized to detect transversal flaws in and close to the outer surface of the hollow axle with orientation in the radial-radial plane. The prototype probe system, sound field simulations and measurement results are presented.
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
For more than 60 years ultrasonic rail inspection is used as non-destructive testing method to ensure the safe operation of rail tracks. Constantly increasing traffic density and heavy loads have been the motor for the development of new test equipment from handheld devices to rail inspection trains. (Krull 2003)Up to the present most of the system solutions feature conventional ultrasonic transducers housed in wheel-type and slide-type probes. Different tasks have to be carried out during an in-service inspection for flaws in the rail head, rail web and rail foot as well as rolling contact fatigue (Heckel 2018). The more tasks the inspection system has to perform, the more probes are needed. Compared against standard ultrasonic testing methods the application of array probes offers advantages and flexibility by the electronic steering possibilities to control the transmitted and received sound fields. This allows to increase functionality by software while decreasing the number of probes needed in hardware in parallel. One drawback in application of phased array probes is that the repetition frequency of the subsequent measurements will be reduced by the number of virtual probe functions each phased array probe has to perform. This may limit the range of use for phased array probes in high speed applications. To overcome these limits special designs for array probes and signal processing are necessary.
For in-service inspections on wheelset axles with a hollow drilling, mechanized ultrasound inspection systems with single element probes are typically used. The ultrasonic testing in the zones close to the external surface of the railway axles can be realized from the inside of the bore hole, without demounting the wheelset and without dismantling the wheels and the brake discs. The testing system must be able to find flaws in the external surface of the hollow shafts, whose surface lies in the radial-radial plane, these are called transversal flaw. Presently testing systems are used, where scanning is realized in the circumferential direction by mechanical rotation of the probe system in the actual drilling. The phased array probe system, which is presented here, can carry out the rotation scan electronically. The scan can be carried out by simply moving the system forward and backwards through the drilling without mechanical rotation. Manipulation becomes simpler and the inspection time can be shortened considerably. The ultrasonic beam can be inclined exactly and be focused in the plane vertical to the specimen axis.
The probe is designed with help of indispensable simulations using especially designed software developed by BAM. The feasibility and the alignment between the simulated and experimental results were shown in earlier projects reported by Boehm et al. (2006) and Völz et al. (2012). The main task here is to optimize a probe for bore holes with a diameter of 65 mm with an increase in sensitivity and a high spatial resolution. This development will be carried out by use of extensive simulations and result in certain changes of the relevant probe parameters.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
To increase inspection speed and inspection reliability the use of phased array system is a superior solution. Especially for shaft inspection phased array setups are commonly used. For hollow axle inspection typically a number conventional probes rotating through the axles drilling are applied, without demounting the axes and without dismantling the wheels and the brake discs.
A new approach using a cone type array operated in immersion technique will allows to increase inspection speed and reduce the mechanical effort of the inspection system by rotating the sound field for the circumferential scan electronically. Only a linear movement of the probe is necessary to move the phased array cone forward and backwards inside the drilling. By applying additional focal laws the beam can be inclined exactly and be focused in the plane vertical to the specimen axis to concentrate the sound in the zones close to the external surface of the railway axle.
The cone type phased array probe has been optimized to detect transversal flaws in and close to the outer surface of the hollow axle, whose surface lies in the radial-radial plane.
The prototype probe system and its performance will be presented.
Matrix phased array probes become more and more prominent to be used in industrial applications. The main drawbacks, using probes incorporating a very large number of transducer elements, are the needs for an appropriate cabling and an ultrasonic device offering many parallel channels.
Matrix arrays designed for extended functionality feature at least 64 or more elements. Typical arrangements are square matrices, e.g. 10 by 10 or 11 by 11 or rectangular matrices, e.g. 8 by 16 or 10 by 12 to fit a 128-channel phased array system. In some phased array systems, the number of simultaneous active elements is limited to a certain number, e.g. 32 or 64. Those setups do not allow to run the probe with all elements active which may cause a significant change in the directivity pattern of the resulting sound beam.
When only a subset of elements is possible to use during a single acquisition, different strategies may be applied to collect enough data for rebuilding the missing information from the echo signal. Omission of certain elements may be one approach, overlay of subsequent shots with different active areas may be another one.
This paper presents the influence of decreased number of active elements on the sound field and their distribution on the array. An example for 16 active elements out of 121 is given in Figure 1. The sound field divergence and its shape basically remain the same, while the sensitivity is reduced and the amplitudes of the speckle-like side lobes increase significantly.
Solutions using subsets with different element activity patterns on matrix arrays and their advantages and disadvantages concerning the sound field are evaluated using semi-analytic simulation tools. Sound field criteria regarding the consequences for NDT test results and the system setup are discussed.
Im Rahmen des Europäischen Projektes RAAI* wird speziell für längsgebohrte Eisenbahnradsatzwellen von Hochgeschwindigkeitszügen eine Phased Array Technik angepasst, mit dem Ziel einer nahezu 100%igen Rissprüfung (Tiefe 2-3 mm) ohne die Demontage der Wellen und einer Prüfzeitreduzierung von 75%.
Die Technik arbeitet mit einem Phased Array, bei dem die Schwingerelemente auf einem Kegelstumpf angeordnet sind. Für die Abtastung in Umfangsrichtung erlaubt das Phased Array die schnelle Rotation und zusätzlich das Fokussieren und Schwenken des Schallbündels. In Richtung der Achse wird das Prüfkopfsystem mechanisch bewegt.
In vorangegangenen Projekten ist das Prinzip dieser Prüftechnik entwickelt und die Tauglichkeit gezeigt worden. Die jetzigen Arbeiten haben insbesondere die Optimierung der Sensortechnik an die o.g. Aufgabe zum Ziel. Wegen der ungewöhnlichen Geometrie des Arrays sind umfangreiche Simulationsrechnungen nötig, um die Auswirkung von zahlreichen Parametern auf die Schallfeldform und letztlich auf die Empfindlichkeit und die Ortsauflösung zu untersuchen und die Konstruktionsdaten zu bestimmen.
Zur Validierung der Prüftechnik werden Tests an typischen Eisenbahnradsatz-wellen durchgeführt. Der Einsatz von unterstützenden Signalverarbeitungsalgorith-men bei der Auswertung der Prüfergebnisse zur sichereren Fehlererkennung ist u.a. wegen des möglichen geringen Messpunktabstandes für diese Prüftechnik besonders vielversprechend. Der Stand der Entwicklung wird gezeigt.
Die Größenbewertung von Anzeigen und die Bestimmung der Nachweisgrenze spielen bei der Ultraschallprüfung eine zentrale Rolle: Sie stellen sicher, dass kritische Ungänzen erfasst und bruchmechanisch behandelt werden können.
Bei SAFT wurde bisher die Größe von Ungänzen dadurch bestimmt, dass die räumliche Anzeigenausdehnung im Rekonstruktionsergebnis ausgewertet wird, d.h. die Anzahl von Voxel über die sich eine Anzeige erstreckt. Auf diese Weise lassen sich jedoch nur Defektanzeigen bewerten, die größer oder gleich der Wellenlänge sind. Bei kleinen Defekten versagt diese Methode, d.h. es ist keine Größenbewertung möglich. Außerdem bietet diese Methode keine Aussage über die Nachweisgrenze des Verfahrens.
Ein Hauptvorteil von SAFT gegenüber der konventionellen Ultraschallprüfung ist aber gerade die Verbesserung der Nachweisgrenze, denn SAFT steigert das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) gegenüber dem Gefügerauschen und reduziert statistisches Rauschen. Um diesen Hauptvorteil nutzen (und quantifizieren) zu können, wird für SAFT eine Methode zur Nachweisgrenzenbestimmung und zur Größenbewertung der Anzeigen kleiner Ungänzen benötigt.
Neben ihrer räumlichen Ausdehnung lassen sich Anzeigen im SAFT-Ergebnis auch durch ihre Amplitude charakterisieren, wenn die Prüfkopfeigenschaften und die geometrischen Verhältnisse beim Scan berücksichtigt werden. Genauer gesagt durch die Amplitudensumme, in die - neben der Echoamplitude - auch die winkelabhängige Streucharakteristik eingeht.
Im Folgenden wird dargelegt, dass sich die Amplitudensumme zur Nachweisgrenzenbestimmung und zur Größenbewertung kleiner Ungänzen eignet.
Es wird der Zusammenhang zwischen der Amplitudensumme und der Größe von Ungänzen dargestellt, und es wird gezeigt, dass auch die Anzeigenposition und die Form des Prüfobjektes eine Rolle spielen können. Auf dieser Basis wird eine Methode zur Größenbestimmung kleiner Anzeigen im SAFT-Ergebnis entwickelt.
Damit lässt sich das SAFT-Ergebnis als Ersatzfehlergröße darstellen, so wie das bei konventioneller Ultraschallprüfung z.B. mit Hilfe von AVG-Diagrammen erfolgt.
Durch die Vervollständigung um die Größenbewertung ist SAFT nicht mehr nur ein bildgebendes Verfahren, sondern es kann vielmehr als vollwertiges Messverfahren dienen.
Der einwandfreie Zustand der Radsätze von Schienenfahrzeugen ist von größter Bedeutung für den sicheren Betrieb. Die Radsatzwellen werden durch eine große Zahl von Lastwechseln individuell unterschiedlich beansprucht. Dabei spielen viele Einflüsse wie äußere statische und dynamische Lasten, innere Lasten aufgrund von Unwuchten und inneren Spannungen und Umweltbedingungen entscheidende Rollen. Eine regelmäßige Prüfung ist daher obligatorisch.
BTD entwickelt im Rahmen eines MNPQ-Projektes in Kooperation mit der BAM eine Phased Array Technik zur automatisierten Prüfung von Radsatzwellen im eingebauten Zustand. Die schwierigen Ankoppelbedingungen aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit, der komplexen Geometrie und möglicherweise vorhandener Farbschichten und Schmutz auf der Radsatzwelle stellen hierbei große Herausforderungen dar. Um diesen zu begegnen, werden neben optimierten Prüfköpfen, einer in die Wasservorlaufstrecke integrierten akustischen Linse und einer speziellen Ankoppeltechnik auch Signalverarbeitungsalgorithmen eingesetzt.
Die Darstellung der Signalverarbeitung ist der Schwerpunkt dieses Beitrages. Mit Hilfe von Messdatensätzen präparierter Testwellen werden verschiedene Algorithmen erprobt und hinsichtlich der Stabilität, dem Verhalten bezüglich der Ankoppelschwankungen und veränderter Wellengeometrien und der Fähigkeit zur automatischen Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen bewertet. Letztlich wird die beste Lösung im entwickelten Prüfsystem eingesetzt.