Ultraschall-Anlagentechnik im Zeichen des Wandels von konventioneller Technik zu Phased Array

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1 DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Di.1.B.1 Ultraschall-Anlagentechnik im Zeichen des Wandels von konventioneller Technik zu Phased Array Albrecht MAURER, Walter DE ODORICO, Wolfgang HAASE, GE Inspection Technologies, Alzenau Wolfgang HANSEN, Wolfgang KEMNITZ, Ulrich SAUER, Ulrich SEMMLER, GE Inspection Technologies, Hürth Bill WALDRON, Francois DE FROMONT, GE Inspection Technologies, Lewiston, PA, USA 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 1

2 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 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 2

3 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 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 3

4 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 4

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) PA-Kopf im Standardgehäuse Abb. 8: Zusammenfassung von Prüffunktionen in einem Phased Array-Kopf 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) 5

6 Abb.9: Prinzip und Ergebnisdarstellung der Schweißnahtprofilprüfung mit Phased Array 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 6

7 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 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 7

8 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. 8