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Bewertung kritischer Befunde bei der Ultraschallprüfung an Schweißnähten mit Modellrechnungen
(2000)
Typische Probleme bei der Schweißnahtprüfung mit Ultrschall entstehen bei ferritischen Werkstoffen vor allem durch Anzeigen von der Nahtkontur, vor allem aus dem Wurzelbereich. Die klassischen Methoden der Unterscheidung formbedingter Anzeigen von Fehlern - z.B. durch Vergleich der A-Bilder von beiden Seten einer Stumpfnaht - können unterstützt werden durch die Modellierung derartiger Anzeigen im Zusammenhang mit hypothetischen Fehlern im wurzelnahen Bereich. Im Beitrag wird die Anwendung vereinfachender Modelle auf diese Problematik vorgestellt und an Beispielen demonstriert.
Bewertung kritischer Befunde bei der Ultraschallprüfung an Schweißnähten mit Modellrechnungen
(2000)
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.
Ein Ziel der Arbeit bestand ursprünglich darin, ein Rechenmodell zur Ultraschallprüfung mit einer Evolutionsstrategie zu verknüpfen. Zunächst verlagerte sich der Schwerpunkt der Arbeit jedoch auf die Erarbeitung eines validierten und erprobten Modells, das den Anforderungen für die Verwendung der Evolutionsstrategie genügt. Aber selbst damit zeigte sich, dass ein Arbeiten mit der Evolutionsstrategie nicht ohne weiteres möglich ist. Daher wurde der Weg der iterativen Modellierung gewählt. Die Einschränkungen der 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. Eine zuverlässige Bewertung ist meist durch die Zusammenfassung der Ergebnisse mit denen aus anderen ZfP- Verfahren und die Nutzung von a priori Informationen z. B. aus der Fertigungsgeschichte einer Komponente oder des Fehlerentstehungsmechanismus möglich. Die vorgeschlagene iterative Modellierung bietet dazu, wie die vorliegende Untersuchung zeigt, eine Möglichkeit. Die durch Einführung von a priori Informationen aufgestellten Fehlerhypothesen werden durch Modellrechnungen abgesichert oder wieder verworfen. Das Rechenmodell ermöglicht die Bewertung der Amplitude, der Laufzeit, der Echodynamik und des Anzeigenmusters, also aller auch bei anderen Diagnoseverfahren herangezogenen Bewertungskriterien. Die iterative Modellierung basiert auf 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. für jeden Prüffall neu gelöst werden und erfordern wie die Modellbedienung Expertenwissen. Die im Rahmen dieser Untersuchung erfolgten Modellmodifikationen konnten gemeinsam mit der Modellverifikation die Zuverlässigkeit der Modellrechnungen deutlich steigern. Die Berechnungen können schnell und interaktiv durchgeführt werden. Die Rechenzeit für ein TD- Bild mit 50 A- Bildern beträgt üblicherweise ein bis fünf Minuten. Durch die Kombination des Rechenmodells mit der Evolutionsstrategie wurde der Versuch unternommen, die iterative Modellierung zu systematisieren. Diese Kombination würde die Lösung des inversen Problems, d.h. die Bestimmung der Ursache für die akustische Störung, ohne Durchführung einer mathematischen Inversion ermöglichen. Der Anwendung der Evolutionsstrategie mit der hier gewählten einfachen Qualitätsfunktion steht ein hoher Zeitbedarf entgegen, ein schnelles und interaktives Arbeiten ist nicht möglich. Die Praxis erfordert die Definition einer komplexen Qualitätsfunktion, die eine Bewertung des Anzeigenmusters ermöglicht und unempfindlich auf Störeffekte reagiert. Die besondere Schwierigkeit besteht darin die Erfahrungen und die "Phantasie" eines Experten in das Modell zu integrieren. Dieser Umstand beinhaltet noch ein großes Entwicklungspotenzial. Ein gegenwärtiger Einsatz der Evolutionsstrategie erscheint daher verfrüht. Inwieweit Probleme mit in den Messdaten enthaltenen Mehrdeutigkeiten und Störanzeigen von Testblockkanten und anderen Reflektoren zukünftig überwunden werden können, kann gegenwärtig noch nicht abschließend geklärt werden. Eine zuverlässige Bewertung von kritischen Befunden mit mehreren möglichen Ursachen kann derzeit nur mit Expertenwissen über den Weg der iterativen Modellierung erfolgen. Dies ermöglicht auf einfache Weise die Einführung der a priori Informationen und gestattet ein schnelles und interaktives Arbeiten.
Bewertung kritischer Befunde bei der Ultraschallprüfung an Schweißnähten mit Modellrechnungen
(2000)