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Within a know-how transfer project funded by the government conventional ultrasonic
technique was replaced by phased array technique for automated round-bar testing. Instead of
applying a great number of conventional probes to achieve acceptable volume coverage we used
curved linear arrays. The benefits of phased array technique such as programmable skew angles,
beamforming and beam positions, led not only to a significant decrease in inspection time, but also the
number of probes could be substantially reduced . Finally, the testing parameters for a large range of
bar-diameters could be adapted by software control instead of time-consuming mechanical
replacement. The probe-design was carried out by a proprietary modelling program. Both the
theoretical calculations as well as the latter experimental verifications revealed significant advantages
of curved arrays versus the planar types. A radial oriented probe offers perfect adaption to the
cylindrical shape of the specimen allowing wide variations of the sound field. Thus beam direction,
beam size and beam position could be optimized with respect to a minimum of inspection cycles, as
inspections have to be executed in-line during the production. A number of laboratory tests were
carried out on special test components. In order to achieve an optimal performance of the reference
rod we implemented three different types of reference reflectors: (i) flat-bottom-holes with diameters
of 0.8 mm and 1.2 mm, (ii) side-drilled-holes with a diameter of 0.7 mm for the detection of
volumetric flaws, and (iii) notches with a depth of 0.2 mm and 0.5 mm for the detection of surfaceoriented
defects. All laboratory tests were carried out with the COMPAS-XXL inspection system, a
proprietary development of BAM.
Im Labor für Ultraschallverfahren der BAM wurde ein Gerätesystem zum Betrieb von
linearen Strahlergruppen entwickelt, aufgebaut und erprobt. Es besteht aus einer
Geräteeinheit mit 64 Sende- und 64 Empfangskanälen, einem Steuerrechner mit
integriertem Transientenrekorder und wurde mit einem Linienarray mit 32 Elementen
und einer Frequenz von 17 MHz erprobt. Das Schallbündel einer Gruppe von 8 Elementen
kann per elektronischem Versatz über den Gesamtschwinger bewegt und
dabei gleichzeitig geschwenkt und fokussiert werden. Dabei konnten Wanddicke'n
von 0,5 mm sowie eine Anordnung von Flachbodenbohrungen mit 0,7 mm Durchmesser
mit großer Genauigkeit nachgewiesen werden. Mögliche Anwendungen sind
die Prüfung von Punktschweißverbindungen, die Korrosionsprüfung, die Prüfung von
Flugzeugkomponenten, die Schweißnahtprüfung.
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.