Ultraschall-Anlagentechnik im Zeichen des

Wandels von konventioneller Technik zu

Phased Array

Albrecht MAURER, GE Inspection Technologies, Alzenau

Francois DE FROMONT, Walter DE ODORICO, Wolfgang HAASE, Wolfgang

HANSEN, Wolfgang KEMNITZ, Ulrich SAUER, Ulrich SEMMLER, Bill WALDRON,

GE Inspection Technologies

Kurzfassung. Ultraschallprüfanlagen stellen heute bewährte Lösungen in der

industriellen Prüfung dar. Im Rahmen der Weiterentwicklung der Phased

Array-Technik hat sich diese inzwischen zu einem wichtigen Element in der

Anlagentechnik entwickelt. Neben der Erweiterung von Applikationslösungen

lassen sich mit ihr Produktivitätserhöhungen, aber auch Vereinfachungen in der

Prüfmechanik darstellen. Diese Tendenzen werden anhand von praktischen

Beispielen dargestellt.

Einführung

Phased Array wurde von Anbeginn der Entwicklung in der zfP als Werkzeug zur Lösung

anspruchsvoller Prüfaufgaben entwickelt. Darüber hinaus liegt das Potential dieser

Technologie in der Zusammenfassung mehrerer Prüfmodi in einem Prüfkopf und damit in

der mechanischen Vereinfachung mechanisierter Prüfungen. Diese Vorteile werden

zunehmend genutzt, um in der Anlagentechnik die Flexibilität und Produktivität zu erhöhen

Phased Array in der Prüfanlagentechnik

1.1 Vorteile des Einsatzes von Phased Array

Die Vorteile der Phased-Array-Technik im Anlagenbau lassen sich wie folgt darstellen:

Flexible Anpassung an individuelle Prüfaufgaben

Fähigkeit zur Lösung von Prüfaufgaben höherer Komplexität

Realisierung unterschiedlicher Prüfmodi mit einem Prüfkopf mit dem Ziel der

mechanischen Vereinfachung

Teilweiser oder vollständiger Ersatz mechanischer Abtastung durch elektronisches

Scannen mit dem Ziel der Produktivitätserhöhung

Reproduzierbare Einstellung durch elektronische Abspeicherung der quasi-

Mechanikparameter

Seminar des FA Ultraschall

Moderne Systemtechnik bei Prüfungen mit Ultraschall - Vortrag 11

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1.2 Phased-Array-Betriebsarten im Prüfanlagenbau

In Prüfanlagen kommen typischerweise die nachfolgenden Phased-Array-Betriebsarten

zum Einsatz: (Abb. 1)

Abb. 1: Phased-Array-Betriebsarten im Prüfanlagenbau

1.3 Beispiele

1.3.1. Wartungsprüfung von Eisenbahnachsen

Die hier gezeigte Lösung ist geprägt durch die Forderung, die Achse im Zustand montierter

Radreifen und Bremsscheiben zu prüfen. Das bedeutet, dass nur eingeschränkt

Ankoppelflächen zur Verfügung stehen. (Abb. 2) Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass

von den zugänglichen Ankoppelflächen aus Sektorscans durchgeführt werden. Die

Auswertung der Ergebnisse erfolgt anhand der gewonnenen B-Bilder. (Abb. 3)

Abb. 2: Prüfbedingungen Abb. 3: Prüfergebnisdarstellung

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1.3.2. Radprüfung im Anschluss an die Produktion

In diesem Beispiel wird der Radreifen mit Hilfe von zwei PA- Köpfen geprüft. (Abb. 4)

Die komplette Prüfung erfolgt während einer einzigen Rotation.

Abb. 4: Radreifenprüfung mit Phased Array

.

1.3.3. Großrohrprüfung

In der Großrohrprüfung ist die Pfützentechnik eine weit verbreitete Ankoppelmethode. Hier

bietet die Phased Array-Technik die Zusammenfassung von Querfehler- und

Wanddicken/Dopplungsprüfung in einem Prüflineal. Bei der Prüfung von längsorientierten

Fehlern kann darüber hinaus durch die Anwendung der Paint-Brush-Technologie, die

nachträgliche phasenabhängige Auswertung auf schräg liegende Fehler durchgeführt

werden. Durch Abspeicherung der digitalisierten Urdaten im Ultraschallgerät lassen sich

alle Orientierungen aus demselben Datensatz gewinnen, wodurch produktivitätsmindernde

Mehrfachschüsse entfallen. Die starke mechanische Vereinfachung führt dazu, dass trotz

der Fähigkeitserweiterung die gesamte Prüfkopftechnik in einem Becken untergebracht

werden kann. (Abb. 5)

Abb. 5: Großrohrprüfung auf Längs-, Schräg- und Querfehler, Dopplungen, Wanddicke

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1.3.4.Stabstahl- und Rohrprüfung im Lineartransport

Zur Prüfung von Rundmaterial wird im Hause GE die ROWA-Technik eingesetzt, die

durch tangentiale Koppelwassereinführung in die Prüftrommel optimale

Ankoppelbedingungen schafft. Die gekrümmten Array-Vielelementprüfköpfe werden

formschlüssig in die Prüftrommel integriert. (Abb. 6) Derzeit wird diese Technologie in der

Stangenprüfung zur Kern- und zur Oberflächen- und oberflächennahen Volumenprüfung

eingesetzt. (Abb. 6) Dieses Prüfprinzip wird derzeit ebenfalls in der Großrohrprüfung bis

450mm AD eingesetzt. Die Kenntnis der Umfangslage eines jeden Prüfpulses erlaubt es,

die Ergebnisse in einer C-Bild-Darstellung einzusetzen. (Abb. 7)

Abb. 6: ROWA. Prinzipaufbau und Anordnung der Prüfköpfe

Abb. 7: C-Bild-Wanddickendarstellung

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1.3.5. Prüfung von Unter-pulver-geschweißten Rohrnähten

Die derzeitigen Norm- und Kundenforderungen verlangen nach Vielkopfsystemen zur

Erfassung von Fehlern in verschiedenen Orientierungen und Tiefenzonen. Es hat sich

gezeigt, dass moderne Rohrstähle Texturen aufweisen, die die Verwendung von

Festwinkelköpfen erschweren, da Einschallwinkelkorrekturen vorgenommen werden

müssen. Die PA-Technik löst dieses Problem. Darüber hinaus können ursprünglich getrennt

aufgebaute Systeme in einem Kopf vereinigt werden. Dadurch wird die mechanische

Komplexität reduziert bei gleichzeitiger Erhöhung der Anwendungsflexibilität. (Abb. 8)

Abb. 8: Zusammenfassung von Prüffunktionen in einem Phased Array-Kopf

1.3.6. Schweißnahtprofilprüfung

Schweißnahtprofilprüfanlagen arbeiten in ihrer konventionellen Form mit

Oszillationsmechaniken, die über der Schweißnaht das Innen- und Außenprofil aufnehmen.

Auch hier ist durch Anwendung der PA-Technik eine mechanische Vereinfachung möglich,

bei gleichzeitiger Erhöhung der Oszillationsfrequenz, was zu einer angenehmeren und

aussagekräftigeren Darstellung in der Form eines flickerfreien, bewegten Profils führt.

(Abb. 9)

PA-Kopf im Standardgehäuse

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Abb.9: Prinzip und Ergebnisdarstellung der Schweißnahtprofilprüfung mit Phased Array

1.3.7. Multizonenprüfung an Turbinenscheiben

Bei dieser Anwendung werden die sich durch die Phased-Array-Prüfung ergebenden

Vorteile in zweierlei Hinsicht genutzt:

- Fokussierung in verschiedene Tiefenzonen

- elektronischer Scan in radialer Richtung

Diese Prüfaufgabe wurde durch die Modifikation eines medizinischen PA-

Ultraschallgerätes für die zfP-Nutzung gelöst. Der Einsatz dieser Technik führt im

Vergleich mit konventioneller Technik zu einer Produktivitätsverbesserung um den Faktor

10. (Abb. 10)

Abb. 10: Multizonenprüfung mit Phased Array

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1.3.8. Aluminium Barren- und Blechprüfung

Diese Anwendung zeigt, dass durch Phased Array eine sehr robuste Prüfung bereitgestellt

werden kann. Sie wird im hier beschriebenen Fall sowohl zur Produktionskontrolle von

Brammen als auch zur Fertigprüfung von gewalzten Blechen eingesetzt. Abb. 11 zeigt die

Walzblechprüfanlage

Abb. 11: Anlage zur Prüfung von Aluminium-Walzblechen, B-Bild-Darstellung von

Fehleranzeigen

1.3.9.Prüfung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen

In der Produktionsprüfung von Flugzeugteilen hat die Anwendung von Phased Array zu

einer wesentlichen Erweiterung des prüfbaren Teilespektrums geführt. Sie wird im hier

beschriebenen Fall sowohl zur Produktionskontrolle von Außenhautkomponenenten (skin)

als auch zur 100%-Prüfung von komplex geformten Verstärkungsbauteilen wie Stringer,

Spanten oder Sonderbauteilen eingesetzt. Hierbei werden Prüfmethoden genutzt, die nur

vom Phased Array bereit gestellt werden können, nämlich parallel B-scan und reverse

Phasing. Die untenstehenden Abb. 12 und 13 illustrieren die Methode und zeigen

Ergebnisse.

Abb. 12: Parallel B-scan zur Prüfung von Bauteilen mit komplexer Kontur

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Abb.13: Vergleich parallel B-scan und konturgesteuerte Phasenansteuerung

Darüber hinaus wird Phased Array heute auch in der Wasserstrahlankopplung eingesetzt,

wo eine wesentliche Produktivitätsverbesserung erzielt werden kann. (Abb. 14)

Abb. 14: Squirterprüfung mit Phased Array

Schlussfolgerungen: Die gezeigten Beispiele beweisen, dass die Phased-Array-Technik

heute in der Anlagentechnik einen hohen Stellenwert erreicht hat. Sie hat sowohl neue

Anwendungsgebiete erschlossen, als auch zur Produktivitätsverbesserung beigetragen. Ihr

Potential ist jedoch noch nicht ausgeschöpft. Im Zuge der Erweiterung der Technik auf 1 ½

bzw. 2D-Arrays lassen sie die Vorteile noch weiter zugunsten der Anlagentechnik

einbringen.

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