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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).
GMR sensors are increasingly used for magnetic surface inspection due to their high
sensitivity and high spatial resolution. In case of simple planar or cylindrical shaped
components, the GMR-based inspection procedure can be automated easily. In order to
reduce the inspection time we present a GMR-based NDT-system consisting of a yoke
and a coil as a local magnetization unit. This way the global magnetization step and, if
necessary, the corresponding demagnetization cycle can be avoided reducing the
number of working steps. Using a local probe we measured plates, bearings, and rails,
each of which containing real fatigue cracks and reference artificial cracks of different
depths and orientations. Cracks with a depth of 40 ìm could be resolved with a signalto-
noise ratio of about 20. A reduction of the measuring time can be obtained using a
sensor array. We present an optimized sensor array for nondestructive testing
application, where gradiometric arranged GMR layers were fabricated on a board with
up to 48 GMR sensors. Each sensor detects the vertical field gradient. In our example
the baseline was chosen to be 250 ìm which efficiently suppress external background
fields without losing sensitivity for the detection of surface breaking defects.
We report on recent developments in the detection of surface breaking cracks using
flying laser spot thermography. Application of an infrared camera for mapping the
thermal radiation after excitation with a diode laser equipped with an optical scanner
allows us to examine a surface containing cracks in an entirely non-destructive,
contactless and fast way, without even moving the camera. We developed an efficient
and robust algorithm that can be applied directly to the recorded thermal sequences,
and that derives a single image containing all crack signatures. For this crack detection
technique, no specific synchronisation between laser and camera is required. Hence,
our approach is suitable for an upgrade of existing thermographic systems. The
feasibility of the proposed procedure is proven by testing an artificial test sample and a
piece of rail that comprises roll contact fatigue cracks and by comparing the results
with magnetic particle testing.
The paper presents numerical methods to detect and classify defects and inhomogeneities by means of active thermography. The objective is to determine the wall thickness of structure elements with an inaccessible back wall, for example, of pipes or Containers. As test specimens we used approximately 2 cm thick PVC samples with spatial variations in the back wall geometry. Flash lamps provided the heating. To know the thickness of the wall, we used two inversion methods and compared the results achieved. One is an iterative echo defect shape method and already tested on Steel test specimens with good reconstruction results. The second one is the Levenberg-Marquardt method, applied here to thermographic data for non-destructive testing. Since data capturing using active thermography and the presented numerical methods can easily be automated, the combination of these two procedures is a promising approach providing a broad area of application.
When dealing in ultrasonic testing with inhomogeneous and anisotropic material structure such as
diverse types of components made from austenitic or nickel based cast, which are currently used
for modern power plant concepts, data interpretation is quite difficult. For better understanding of
the complex interaction between the sound field and the component under test, the mathematical
modeling of sound propagation in solids is a substantial task to increase the probability of
detection of relevant defects.
First we present a mathematical approach for modeling the three dimensional transient
particle displacement as a function of time in each point in a half space excited by an impulsive
point load at the surface. The transient ultrasonic field of a rectangular array element is calculated
with this approach by a point source synthesis. Based on this solution we model the wave
propagation of a phased array transducer by time delayed superposition of the wave field of the
transducer elements.
Next we use an electrodynamic technique to visualize the grazing sound field at the surface
of a test block radiated by a phased array probe. By detecting the grazing beam at the samples
surface with a small electrodynamic probe, we measured the particle displacement as a function of
time. It allows for measuring the displacement in all three spatial directions. This comprises the
detection of the horizontal and vertical particle displacement with respect to the surface and thus
also the detection of longitudinal and shear waves is possible.
The calculated and measured wave fields will be compared for different delay laws in
isotropic and transversely isotropic media. The results support the theoretical activities to model
the wave propagation and to find optimal testing parameters for different components and
configurations.
In dieser Arbeit wird ein kameragestütztes Verfahren zur Flying-
Spot-Thermografie vorgestellt. Die Anregung wird über einen Diodenlaser mit einem optischen Scanner realisiert. Bei der Auswertung kommt ein effizienter und robuster Algorithmus zum Einsatz, der direkt auf die mit der Kamera aufgenommene Thermografiesequenz angewendet werden kann, ohne auf eine
Synchronisation zwischen Kamera und Lasersystem angewiesen zu sein. Daher eignet sich diese Herangehensweise besonders zur Nachrüstung bestehender Thermografiesysteme.
Die prinzipielle Eignung dieser Methode wird anhand einer Messung an einem Schienenstück mit Rollkontaktermüdungsrissen gezeigt. Als Referenzverfahren werden die Magnetpulverprüfung und eine auf GMR (Giant Magnetoresistance)- Sensoren basierende Streufeldmessung herangezogen. Mit dem thermografischen Verfahren konnten sämtliche enthaltenen Fehler erkannt werden. Dabei wurden Risse im mm-Abstand getrennt nachgewiesen, was etwa der geometrischen Auflösung der eingesetzten Kamera entspricht.
In diesem Beitrag werden numerische Verfahren zur Erkennung und Charakterisierung von Fehlstellen, Schichtdicken, Wanddicken und Inhomogenitäten mittels aktiver Thermografie vorgestellt. Eine uantitative Beurteilung der nicht immer zugänglichen Rückwand eines Bauteils (Minderdicken) ist durch Inversion thermografischer Messdaten möglich. Diese quantitativen Informationen können durch iterative Methoden vom Gauß-Newton-Typ (Inversion) gewonnen werden. Als reale Prüfobjekte werden ca. 2 cm dicke PVC-Platten mit örtlich variierender Rückwandgeometrie untersucht. Die Erwärmung erfolgt mit
Blitzlampen, welche die PVC-Platte kurzzeitig um mehrere K erwärmt. Ein wichtiger Teil der Inversion ist die Simulation des Experiments, welche mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) in 2D realisiert wird. Da Inversion und active Thermografie automatisierbar sind, bietet die Kombination breite Anwendungsgebiete innerhalb der Industrie.
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.
Thermoacoustic generation of airbone ultrasound using carbon materials at the micro- and nanoscale
(2011)
Progress in Acoustical Defect Sizing NDT Methods for the Inspection of Power Plant Components
(2011)
In this contribution a simulation tool is developed to compute the energy skewing angles and energy coefficients
for the reflected and refracted plane waves in following general cases: (1) reflection and refraction
of plane elastic waves at an interface between isotropic and transversely isotropic solid, (2) reflection
and refraction of plane elastic waves at an interface between transversely isotropic and isotropic solid, (3)
reflection and refraction of plane elastic waves at an interface between two general transversely isotropic
solid and (4) reflection of plane elastic waves from a stress free boundary of a transversely isotropic solid.
Computational results for analytically evaluated acoustic wave energy skewing angles and energy reflection
and transmission coefficients in acoustically anisotropic materials such as austenitic steel materials
exhibiting columnar grain orientation are presented. The obtained results show that the acoustic energy
skewing angles and coefficients in austenitic steel materials strongly depend upon the columnar grain
orientation and are less influenced by the grain orientations which are parallel and perpendicular to the
interface.
GMR-Sensor Arrays ermöglichen eine örtlich hoch aufgelöste Messung magnetischer Streufeldamplituden an Stahlbauteilen, bei der abhängig von der Größe der zu prüfenden Oberfläche erhebliche Datenmengen erzeugt werden.
Eine automatische Detektion von Rissen kann anschließend mittels digitaler Bildverarbeitung erreicht werden, welche hauptsächlich auf einer Kantenerkennung basiert. Diese wurde anhand einer Magnetometer-Messung getestet, die an einem zylindersymmetrischem Bauteil mit funkenerosiv eingebrachten Rissen geringer Tiefe durchgeführt wurde. Die erzielte Selektion der Defekte wird für eine angestrebte Rekonstruktion der Defektgeometrie benötigt.
High-precision magnetic field sensors are of increasing interest in non destructive testing (NDT). In particular GMR-sensors (giant magneto resistance) are qualified because of their high sensitivity, high signal-to-noise ratio and high spatial resolution. We performed magnetic flux leakage measurements of artificial cracks with a GMR-gradiometer and a 3-axes GMR-magnetometer. Cracks of a depth of 44 μm still could be detected with a sufficient high signal-to-noise ratio. A semi-analytic magnetic dipole model was used for swiftly predicting magnetic stray fields. The reliable reconstruction based on measurements of artificial rectangular-shaped defects is demonstrated.
In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz zur Erzeugung von Luftultraschall vorgestellt, der auf dem thermoakustischen Prinzip beruht. Mikro- und nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien werden dabei mit einem harmonischen Wechselstrom gespeist und erfahren durch ohmsche Verluste eine Temperaturänderung, die sich auf das umgebende Fluid überträgt. Daraus resultieren Druckmodulationen, und es wird eine ausbreitungsfähige Schallwelle erzeugt. Dabei tritt Frequenzverdopplung gegenüber der Anregungsfrequenz auf. Es konnte gezeigt werden, dass der entscheidende Parameter für die Effizienz der Methode, d.h. für ein möglichst großes Verhältnis von Schalldruck zu eingebrachter Leistung, die Wärmekapazität pro Flächeneinheit ist. Da dieser Quotient für Kohlenstoffmaterialien sehr klein sein kann, erlaubt das thermoakustische Prinzip hier die effiziente Erzeugung von Luftultraschall. Schalldruckmessungen an verschiedenen Materialproben wurden bis 100 kHz mit einem Mikrofon durchgeführt, oberhalb von 100 kHz wurde eine laservibrometrische Schnellemessung eingesetzt. In experimentellen Untersuchungen wurde die Schallerzeugung in Abhängigkeit der Materialeigenschaften analysiert und systematisiert. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit numerischen und analytischen Berechnungsergebnissen verglichen.
Vor allem in der Automobilindustrie wird das Widerstandpunktschweißen im großen Unfang zur Verbindung von Blechen im Karosseriebau verwendet. Durch den anhaltenden Trend zum Leichtbau und den immer höheren Anforderungen an die passive Sicherheit kommt es hier zu einem verstärkten Einsatz innovativer hochfester Stähle. Obwohl es sich beim Punktschweißen um ein lange erprobtes Verfahren handelt, das sich anhand der Prozessparameter und regelmäßiger zerstörender Prüfung überwachen lässt, ist durch diese Entwicklung die Suche nach geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren wieder aktuell. Wegen der hohen Produktionsgeschwindigkeiten in der automatisierten Fertigung muss sich das Prüfverfahren für eine hundertprozentige Prüfung vollautomatisch mit der typischen Taktrate von etwa einem Hertz durchführen lassen.
In dieser Arbeit wird zuerst die prinzipielle Durchführbarkeit der thermografischen Prüfung von Punktschweißverbindungen an speziell präparierten Proben überprüft. Auf dieser Grundlage wird eine Serienuntersuchung an 75 Proben, die sich auf drei Gruppen von Schweißparametern aufteilen und neben optimal geschweißten Proben typische Fehlerbilder repräsentieren, eine Serienuntersuchung gezeigt. Hierzu wird eine Blitzlichtanregung in Transmissionsanordnung verwendet.
Es kann gezeigt werden, dass sich mit einer geeigneten Datenaufbereitung die einzelnen Gruppen sicher trennen lassen. Durch eine statistische Bewertung der Ergebnisse kann unter Verwendung eines angepassten Gütekriteriums die Trennschärfe noch deutlich erhöht werden.
Untersuchungen zur 2D- und 3D-Rekonstruktion von Rückwandgeometrien in der Impuls-Thermografie
(2012)
Visualization of material defects - modern approaches in acoustical and electrical NDE-methods
(2008)
Increasing demands in materials quality and cost effectiveness have led to advanced
standards in manufacturing technology. Especially when dealing with high quality
standards in conjunction with high throughput quantitative NDE techniques are vital to
provide reliable and fast quality control systems. Fast NDE-systems using a high degree
of automatisation can be used for both determining the degree of integrity of the
components under test and indicating a change of production parameters as well.
However, independently of the applied NDE method and the underlying physical
principle a reliable visualisation of hidden defects within the component under test is
based on a sufficient high signal to noise ratio (SNR) and a high spatial resolution. In this
talk we illuminate two standard NDT methods such as Ultrasonic Testing and Eddy
Current Testing and show their physical principles also discussing the interaction
between sound waves or induced eddy currents with different kinds of material defects.
This introduction substantiates the attainable SNR and spatial resolution of both methods
with respect to defect sizing and defect classification. As a first future prospect we report
on the SAFT-algorithm to improve SNR and spatial resolution paving the way for a flaw
sizing approach in ultrasonic inspection. As a second modern NDE approach we
represent the use of small magnetoresistance sensor arrays for EC testing of Al-laser
welds or for testing superconducting wires. The high sensitivity and small extent of GMR
sensors results in a remarkably SNR and spatial resolution offering new visualisation
techniques for defect localisation, defect characterization and tomography-like mapping
techniques.