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In general, the application of phased array techniques used to be limited to heavy components with large wall thicknesses, such as those in the nuclear power industry. With the improvement of the phased array equipment, including phased array search units, other application areas are now accessible for the phased array inspection technique, e.g. the inspection of turbine blade roots, weld inspection with a wall thickness ranging from 12 to 40 mm, inspection of aircraft components, inspection of spot welds and the inspection of concrete building components. The objective for the use of phased array techniques has not significantly changed since their first application, e.g. instant adjustment of the sound beam to the geometry of the test object by steering incidence angle, skew angle and/or sound field focusing. Because some new phased array technique applications are still in the experimental (laboratory) stage, this article will focus on some examples for practical, real-weld applications.
Die Prinzipien der Ultraschallausbreitung in festen Medien sind seit langem bekannt und können heute durch mathematische Modelle recht umfassend beschrieben und simuliert werden. In der Praxis zeigt sich aber, dass gerade bei komplexen Geometrien, sowie inhomogenen und anisotropen Materialien die Modelle immer noch an ihre Grenzen stoßen.
Das ist insbesondere in der fehlenden Möglichkeit begründet, die akustischen Eigenschaften inhomogener Prüfgegenstände vollständig mathematisch zu beschreiben.
Deshalb wird in letzter Zeit verstärkt nach Techniken gesucht, mit denen man die Schallausbreitung in solchen Materialien messen und anschaulich darstellen kann. Ziel dieser Entwicklung ist es, die Schallausbreitung in Festkörpern, insbesondere in solchen mit akustisch anisotropen Eigenschaften, besser zu verstehen und die Möglichkeit zu schaffen, die Simulationsrechnungen am realen Objekt zerstörungsfrei verifizieren zu können.
In der Literatur werden verschiedene Methoden zur messtechnischen Visualisierung der Ultraschallausbreitung in Festkörpern beschrieben. Am bekanntesten sind optische Verfahren wie die Schlierentechnik, die schon seit langem genutzt wird, um den momentanen Schallfeldverlauf im Inneren von optisch transparenten Materialien sichtbar zu machen. Heute kommen verstärkt lasertechnische Methoden, wie z. B. das Laserinterferometer, zum Abtasten von nicht transparenten Materialoberflächen zum Einsatz. Da diese Verfahren mit einem hohen technischen Aufwand verbunden sind, werden häufig auch einfachere Methoden, wie z. B. das Abtasten mit punktförmigen piezoelektrischen Aufnehmern, verwendet.
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.
Die Prüfung von anisotropen Schweißnähten auf Querfehler stellt auch heute noch eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Das gilt insbesondere für das Auffinden kleiner rissartiger Fehlstellen in einer unbeschliffenen Wurzel. Ursachen dafür sind zum einen das ausgeprägte Beugungs-, Streuungs- und Reflexionsverhalten solcher Nähte und zum anderen die störenden Formanzeigen aus dem Wurzelbereich, die sicher von den Fehlstellen unterschieden werden müssen, um Fehlinterpretationen bei der Bewertung der Anzeigen zu vermeiden.
In der vorliegenden Arbeit werden an einer 85 mm dicken und 6 bis 10 mm breiten Engspaltschweißnaht mit stängelkristalliner Struktur rissartige Testfehler in Form erodierter Nuten untersucht. Die 2 und 4 mm tiefen Nuten sind mit 5 mm Länge kürzer als die Wurzelbreite. Die Wurzel ist nicht beschliffen und hat eine Überhöhung von ca. 2 mm. Ziel ist es, die Fehlstellen von den Form- und Gefügeanzeigen
zu unterscheiden und sicher zu detektieren. Eine Größenbestimmung ist
nicht vorgesehen.
Durch den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ist es möglich, optimale Einschallparameter zu finden, mit denen diese Aufgabe gelöst werden kann. Es werden zwei azimutal schwenkende lineare Gruppenstrahlerprüfköpfe mit Vorsatzkeil in SE-Technik verwendet, die so auf beiden Seiten der Schweißnaht angeordnet sind, dass sich ihre Schallfelder unabhängig von der Einschallrichtung in der Schweißnahtwurzel überlagern. Damit ist es möglich, optimale Einschallwinkel für das Prüfproblem zu finden und in einer Prüffahrt gleichzeitig in beiden Einschallrichtungen längs der Schweißnaht zu prüfen.
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.