Die Entwicklung der Ultraschallprüfung (UT) von der konventionellen Ultraschallprüfung zur Methode der vollständigen Fokussierung

Bildquelle: Getty Images

Die Ultraschallprüfung ist eine der vielen zerstörungsfreien Techniken zur Prüfung von Bauteilen. Es wird in vielen Branchen eingesetzt, darunter im Stahl- und Aluminiumbau, in der Metallurgie, im verarbeitenden Gewerbe, in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbereich und in anderen Transportsektoren. Die Technik bietet viele Vorteile, darunter Benutzerfreundlichkeit, Geschwindigkeit, Durchdringung, Genauigkeit und Empfindlichkeit. Im Laufe der Jahre hat sich die Technologie dramatisch und kontinuierlich verbessert und bietet nun eine fortschrittliche Bildgebungsleistung mit hoher Auflösung.

Bei der Ultraschallprüfung (UT) wird ein elektrischer Impuls an einen Wandler gesendet, der aus einem oder mehreren piezoelektrischen Kristallen besteht. Der oder die Kristalle wandeln die elektrische Energie in mechanische Schwingungen um, die über ein Koppelmedium an das Bauteil gesendet werden. Die akustische Welle interagiert mit allen Diskontinuitäten im Inneren des Bauteils (Defekte, Geometrie usw.) und kehrt zum Wandler zurück, wo die Schwingungen wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Daten können dann in verschiedenen Ansichten angezeigt werden, z. B. als A-Bild, B-Bild, C-Bild oder T-Bild, wobei jede Ansicht eine andere Sicht auf die Inspektionsdaten bietet.

Als die Ultraschallprüfung begann, basierten Ultraschallinstrumente vollständig auf Einzelelementwandlern, bei denen ein piezoelektrischer Kristall Ultraschall erzeugt und empfängt. Die Technik wurde auf Dual-Element-Wandler ausgeweitet, die über zwei Kristalle verfügen, von denen einer sendet und der andere empfängt.

Abhängig von der Art der Inspektionen werden Messungen typischerweise im Normaleinfall (Dickenmessgerät, Korrosionskartierung) oder unter Verwendung eines Winkelstrahls (Schweißnahtinspektion) durchgeführt. Inspektionen unter normalem Einfall können durchgeführt werden, indem der Wandler direkt mit dem Prüfstück in Kontakt steht, oder indem eine Verzögerungsleitung (Eintauch- oder L0-Keil) verwendet wird, um die Vorderseite des Wandlers zu schützen. Dies ist besonders nützlich, wenn der Wandler entlang der Oberfläche des Bauteils abgetastet wird. Winkelstrahlprüfungen werden durchgeführt, indem der Einfallswinkel des Wandlers entweder beim Eintauchen oder mit einem Keil verändert wird. Bediener können den Ausbreitungswinkel innerhalb des Materials mithilfe des Snelliusschen Gesetzes wählen, das die Beziehung zwischen dem Einfalls- und Brechungswinkel basierend auf der Ultraschallgeschwindigkeit (entweder Longitudinal- oder Scherwellen) innerhalb der Komponente und des Keils beschreibt.

Da nur ein (oder zwei) piezoelektrische Kristalle verwendet werden, hängen Empfindlichkeit und Auflösung der Prüfung stark von der Wahl der Wandlereigenschaften ab. Empfindlichkeit ist die Fähigkeit, kleine Anzeichen zu erkennen, während Auflösung (axial und lateral) die Fähigkeit ist, zwei separate, nahe beieinander liegende Anzeichen zu erkennen. Beide hängen von der Form des Strahls ab, vor allem von der Größe, in Bezug auf die Größe der Anzeigen und die Eigenschaften des an das piezoelektrische Element gesendeten elektrischen Signals.

Die axiale Auflösung kann durch Erhöhung der Zentralfrequenz (kleinere Wellenlänge) und Dämpfung des Wandlers verbessert werden. Höhere Frequenzen sind jedoch normalerweise mit einer höheren Dämpfung innerhalb des Keils und des Teststücks verbunden, und eine übermäßige Dämpfung führt zu Amplitudenverlusten, was beides zu einer geringeren Empfindlichkeit führt.

Die laterale Auflösung ist hoch, wenn die Breite des Strahls schmal ist. Normalerweise entspricht die Strahlbreite der Breite des Wandlers in der Nähe des Wandlers. Dann konvergiert der Strahl auf seine schmalste Breite in einem Abstand, der als Grenze des Nahfeldes bezeichnet wird. Schließlich divergiert der Strahl in einer Zone, die Fernfeld genannt wird. Der Nahfeldabstand und die Strahlausbreitung im Fernfeld hängen von den Abmessungen und der Mittenfrequenz des Wandlers ab. Die laterale Auflösung kann durch die Verwendung fokussierter Wandler verbessert werden, dh Wandler mit einem piezoelektrischen Kristall in sphärischer oder zylindrischer Form. Während die seitliche Auflösung verbessert wird, nimmt die Schärfentiefe ab.

In den meisten Fällen müssen Bediener einen Kompromiss zwischen Empfindlichkeit und Auflösung eingehen und Wandler auf der Grundlage der erwarteten Erkennbarkeit und der von den Normen geforderten Dimensionierungsfähigkeit auswählen.

Manchmal müssen für eine Inspektion, beispielsweise eine Schweißnahtprüfung, mehrere Wandler verwendet werden, da die Empfindlichkeit je nach Art der Fehler variiert. Beispielsweise würde eine 60°-V-Schweißnaht die Verwendung eines SW60-Wandlers erfordern, um entlang der Fase auf derselben Seite wie der Wandler nach Fehlern wie fehlender Verschmelzung zu suchen. Zur Suche nach Wurzel- und Zehenrissen würde ein SW45 verwendet werden, da 45°-Scherwellen bei der Prüfung vertikaler Defekte nicht zu Modenumwandlungen führen. Ein SW70° könnte auch verwendet werden, um nach Fehlern zu suchen, die sich auf der gegenüberliegenden Seite des Wandlers befinden.

Trotz ihrer mangelnden Flexibilität ist die konventionelle Ultraschalltechnik auch heute noch die am häufigsten verwendete Ultraschalltechnik, da sie eine kostengünstige Lösung für die Fehlererkennung und Dickenmessung bietet.

Die Phased-Array-Technologie begann im Hochfrequenzbereich, indem sie Phasenverschiebungen oder Verzögerungen auf ein Antennenarray anwendete. Dies gab die Möglichkeit, die elektromagnetische Energie zu steuern, ohne die Antenne bewegen zu müssen. Phased-Array gelangte in den 1960er Jahren zunächst in die Welt der Ultraschalltechnik und dann in den 1980er Jahren in die NDT-Community.

Das Prinzip des Ultraschall-Phased-Array besteht darin, die Elemente des Arrays so zu feuern, dass die von jedem Element erzeugten Wellenfronten auf vorhersehbare Weise konstruktiv oder destruktiv interferieren und so den Schallstrahl effektiv lenken und formen. Dieser Prozess, der als Berechnung des Verzögerungsgesetzes bezeichnet wird, erfolgt durch Anwenden einer Zeitverzögerung auf jedes Element des Arrays sowohl beim Senden als auch beim Empfang. Es gibt drei Haupttypen von Verzögerungsgesetzen.

Strahlfeldberechnungen für diese drei Verzögerungsgesetze werden in den folgenden Abbildungen dargestellt. Es ist möglich, sie zu kombinieren, um noch komplexere akustische Strahlen zu erzeugen.

Bildquelle: Eddyfi Technologies

Bei der PAUT-Inspektion ist das Design der Sonde ein wichtiger Aspekt. Wie bereits erwähnt, besteht eine PAUT-Sonde aus mehreren Elementen, die auf unterschiedliche Weise angeordnet werden können. Die gebräuchlichsten PAUT-Sonden sind lineare (1D), Matrix- (2D), ringförmige (1D) und sektorielle (2D). 1D-PAUT-Sonden können den akustischen Strahl nur in einer Ebene manipulieren, während 2D-Arrays die akustische Energie im gesamten Volumen der Komponente steuern können.

Bei der Gestaltung der Sonde ist es wichtig, einige Regeln zu beachten.

Das Design einer PAUT-Sonde ist somit ein Kompromiss zwischen Kosten, den Einschränkungen des elektronischen Systems hinsichtlich vieler Elemente, die sie steuern kann, der gewünschten Empfindlichkeit und Auflösung.

Mehrere Branchen haben von den vielen Vorteilen profitiert, die die PAUT-Technologie gegenüber der herkömmlichen UT bietet.

PAUT hat sich als Ersatz für Durchstrahlungsprüfungen großer Beliebtheit erfreut. Die modernen, einfachen und tragbaren PAUT-Geräte haben die Akzeptanz von PAUT-Inspektionen weiter beschleunigt.

Die Methode der Totalfokussierung kann im Vergleich zum PAUT-Test eine größere Klarheit und Präzision bieten. Es handelt sich um eine Inspektionstechnik, die standardmäßige PAUT-Sonden verwendet, aber anstatt typische Verzögerungsgesetze (linear, fokussierend oder sektorielles Scannen) anzuwenden, fokussiert sie die akustische Energie auf jedes Pixel einer Region of Interest (ROI). Dies sorgt für eine optimale räumliche Auflösung innerhalb dieses Bereichs, was Technikern dabei helfen kann, kleine Defekte bei anspruchsvollen Inspektionen zu erkennen.

Die Technik besteht aus zwei Schritten: dem Datenerfassungsteil, der als vollständige Matrixerfassung bezeichnet wird, und der Rekonstruktion, die als vollständige Fokussierungsmethode bezeichnet wird. FMC/TFM wurde typischerweise in der Nachbearbeitung durchgeführt, aber jüngste Entwicklungen bei Ultraschallgeräten haben Echtzeitprüfungen mit Scangeschwindigkeiten nahe PAUT ermöglicht.

Wenn man von FMC spricht, bezieht man sich normalerweise auf den elementaren FMC, für den alle Sender-/Empfängerpaare im Array separat digitalisiert und gespeichert werden. Dies bedeutet, dass potenzielle Anzeigen aus allen möglichen Blickwinkeln betrachtet werden, da der FMC-Datensatz alle akustischen Informationen zwischen jedem Element der Sonde und dieser Anzeige enthält.

Der TFM-Algorithmus besteht aus der kohärenten Summierung der Amplituden aus dem FMC-Datensatz an jedem Pixel des ROI. Wenn ein Defekt vorliegt, enthält jedes Signal des FMC eine kleine Information über diesen Defekt. Durch Summieren der verschiedenen Beiträge zeigt das TFM-Bild Pixel mit hoher Amplitude an. Umgekehrt führt die Summierung der verschiedenen Beiträge für Bereiche des ROI ohne Defekt zu Summierungsrauschen und damit zu Pixeln mit außergewöhnlich niedriger Amplitude.

Die Hauptvorteile von TFM gegenüber PAUT sind:

Normalerweise können die Nachteile sein:

Um diese Nachteile zu überwinden, sind andere FMC-Erfassungsschemata möglich, beispielsweise Plane Wave Imaging (PWI). PWI besteht aus der Erzeugung eines sektoriellen Scans unter Verwendung aller Elemente des Arrays für die Übertragung, während der Empfang aus dem Abhören aller Elemente einzeln besteht. Die Vorteile gegenüber elementarem FMC sind:

Die Einführung der Technik wurde durch die Veröffentlichung der überarbeiteten Normen ASME V und ISO 23864 und 23865 erleichtert. Technikbeschreibung, Ausrüstungsstandards, Personalqualifikation und Anwendungsstandards werden detailliert beschrieben, damit die Bediener ihre Verfahren sorgfältig vorbereiten können.

Die folgenden Bilder zeigen ein Beispiel für TFM-Inspektionen. Das obere Bild zeigt die Erkennung eines Hochtemperatur-Wasserstoffangriffs (HTHA), während das untere eine Schweißnahtprüfung mit einer Mehrgruppenkonfiguration mit einem TFM auf jeder Seite der Schweißnaht zeigt.

TFM-Inspektionsbeispiele | Bildquelle: Eddyfi Technologies

Während einer TFM-Inspektion kann der NDT-Techniker die Daten mithilfe verschiedener Rekonstruktionsmodi betrachten. Bei den Modi handelt es sich um verschiedene Arten möglicher Ultraschall-Schallpfade, die von den Elementen des Arrays zu den verschiedenen Pixeln des TFM-Bildes verlaufen. ASME listet direkte Modi (LL, TT…), Eckmodi (L-LL, L-TT…) und indirekte Modi (LL-LL, TT-TT…) auf, wobei „L“ für Longitudinalwelle steht, „T“ für transversal, und das „-“ zeigt eine Reflexion an einer der Prüflingsoberflächen an.

Eck- und indirekte Modi begünstigen tendenziell die Spiegelreflexion, was zu Signalen mit höherer Amplitude führt. Im Wesentlichen führt die richtige Positionierung der Sonde zu einem akustischen Pfad, der quasi senkrecht zu den planaren Defekten verläuft. Durch die Kombination verschiedener Modi bietet TFM eine noch nie dagewesene verbesserte Empfindlichkeit und Bildgebungsfähigkeit.

Die Ultraschallprüfung hat sich im Laufe der Jahre dramatisch weiterentwickelt, angefangen von einem A-Scan-Signal, das der Techniker interpretieren kann, bis hin zu vollständigen hochauflösenden 3D-Bildern, die der Geometrie des Bauteils überlagert werden. Schnelle Entwicklungen in der Instrumentierung haben Technikern kleinere und robustere Instrumente mit größeren Fähigkeiten zur Verfügung gestellt. Ziel ist es, nicht nur die Erkennung, sondern auch die Charakterisierung und Größenbestimmung von Fehlern mit hoher Zuverlässigkeit und möglichst schnell zu verbessern, um Ausfallzeiten zu minimieren. Da die Technologie immer weiter voranschreitet, schreitet auch die Ultraschallprüfung voran.

Frédéric Reverdy , leitender Anwendungs- und Produktingenieur, Eddyfi Technologies, Les Ulis, Frankreich. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected].