Ermittlung der Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (POD) in Abhängigkeit von der Prüfrastergröße bei der Ultraschallprüfung großer Schmiedestücke

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1 Ermittlung der Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (POD) in Abhängigkeit von der Prüfrastergröße bei der Ultraschallprüfung großer Schmiedestücke Autoren: Marcel Preißel, Thomas Heckel, Johannes Vrana 1 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Anforderungen an die Prüfung großer Schmiedeteile verschiedene Einschallrichtungen Schallbündel Reflektor geringe Prüfgeschwindigkeit Geringe Schallschwächung geringe Impulsfolgefrequenz Automatisierte Bauteilprüfung Bedingte Optimierung der Fehlerreflexion möglich Prüfrastergröße entscheidend Hohe Prüfdauer Kosten und Qualität der automatisierten US-Prüfung ist direkt von der Wahl des Prüfraster abhängig Versatzrichtung d y Spurrichtung d x DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

2 Regelwerke zur Prüfung großer Schmiedeteile Prüfvorgaben unzureichend bzw. ungeeignet zur Umsetzung in der automatisierte Prüfung: SEP 193 Überlappung der Prüfbahnen um mind. 15% des wirksamen Prüfkopfdurchmessers DIN EN 8-3 Überlappung der Prüfbahnen um mind. 1% des wirksamen Prüfkopfdurchmessers ASTM A 4 Überlappung der Prüfbahnen um 75% der Schwingerbreite ASTM E 375 Überlappung der Prüfbahnen um mind. % der db Schallbündelbreite DIN EN Berührung zweier benachbarter - db Schallbündel IIW Handbuch Berührung zweier benachbarter - db Schallbündel Ziel Eindeutige Definition eines Prüfrasters zur automatisierten Prüfung: vollständige Volumenprüfung mit höchstens -db gegenüber max. Prüfempfindlichkeit DGZfP-Richtlinie US 7, Ausgabe: November 14 3 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Vorstellung DGZfP-Richtlinie US 7 Berechnung des Prüfrasters anhand des - db Schallbündeldurchmessers normierten Rastergüte R n Mindestabstastung jedes Elementes im Prüfvolumen durch das - db Schallbündel D x 1 = d x R n D + d y x D y D y d y d x durchschnittliche Rastergüte R d durchschnittliche Abtastung jedes Punkts in der Ebene des - db Schallbündels 4 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

3 Vorstellung DGZfP-Richtlinie US 7 Für ein optimiertes Prüfraster gilt: d x = D x R n bzw. d y = D y R n Beispiel: Winkeleinschallung D x s cos α sin φ = cos φ + cos ( α) 5 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Motivation Prüfrasterberechnung nach DGZfP-Richtlinie US 7 Einfluss des Prüfrasters auf die Reflektorbewertung Wie groß ist die maximale Unterbewertung für verschiedene Werte der normierten Rastergüte R n? Wie wirkt sich die Wahl der normierten Rastergüte R n auf die Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (POD) aus? DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

4 stool: CIVA 11. s 1 s s 4 Situation: Prüfung eines Schmiedestücks mit SPK Nachweis von Reflektoren ab Schallweg s Raster lt. Richtlinie an Prüfaufgabe anpassen d x = D x R n Frage: Um wie viel Dezibel wird ein Fehler maximal unterbewertet, wenn dieser bedingt durch die Rasterprüfung nicht mit dem Zentralstrahl getroffen wird? U max = log ( A max A min ) 7 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, stool: CIVA 11. Erinnerung: Ziel ist immer die maximale Unterbewertung eines Reflektors aufgrund des Prüfrasters zu ermitteln! sparameter: Prüfgüte: R n =,5; 1,;, Reflektorlage: s = 1N; N; 3N; 4N; N; 1N Reflektortyp: Kugel Flachbodenbohrung (FBB) Reflektorgröße: Ø,7 mm; 3,5 mm; 7, mm; 1, mm Prüfkopf: D S = mm f = MHz λ =,9 mm 8 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

5 Veranschaulichung der Rastergüte R n =,5 R n = 1, R n =, Idealfall A max worst case A min 9 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Ergebnisse Kugel FBB R n =,5 R n =,5 R n =1, R n =, R n =1, R n =, Reflektorgröße / mm 1 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

6 Ergebnisse R n =,5 R n = 1, R n =, FBB FBB Reflektorgröße / mm DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Ergebnisse R n =,5 R n = 1, R n =, FBB FBB Reflektorgröße / mm DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

7 rel. Amplitude/ db rel. Amplitude/ db rel. Amplitude/ db Verstärkung / db Verstärkung / db Experimentelle Messungen Ausmessen der Flachbodenbohrungen Bestimmung der Verstärkung relativ zur FBB mit Durchmesser 4 mm in 5mm Tiefe AVG Handprüfung automatisierte Prüfung Messpunktabstand: d x =,5 mm Spurversatz: d y =,5 mm Testkörpersetup x BS D = 4, mm D =,8 mm D =, mm s = 5 mm s = 9 mm y 3, 3,,,,,, s = 5 mm 4,8 3, 3,,,,,, s = 9 mm 4,8 Durchmesser der FBB / mm Durchmesser der FBB / mm 13 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Experimentelle Messungen Echodynamik: vs. automatisierte Messung Testkörpersetup x Gute Übereinstimmung der Echodynamik in und Messung! D = 4, mm D =,8 mm D =, mm s = 5 mm s = 9 mm y Ø = 4 mm, s = 5 mm Ø = 4 mm, s = 9 mm Ø = mm, s = 9mm,, - - -, -, - -8, -, -4, -,,, 4,, 8, Entfernung zur Reflektormitte/ mm -, Entfernung zur Reflektormitte/ mm -, Entfernung zur Reflektormitte/ mm 14 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

8 response, â a 9/95 / mm response, â response, â Probability of Detection, POD a Probability of Detection, POD a Probability of Detection, POD a a 9 95 a 9 POD a a a a log a POD covariance matrix POD a 5.4e-5-4e- -4e-.e-5 n total n targets a^ decision a^ noise mm Rn,5.xlsx mh3 v4..1 a a a log a POD covariance matrix POD a 1.e-5-1e- -1e- e- n total n targets a^ decision a^ noise mm Rn1.xlsx mh3 v4..1 a5 1. a a log a POD covariance matrix 5e- e- n total n targets a^ decision a^ noise mm Rn.xlsx mh3 v4..1 der Fehlerauffindwahrscheinlichkeit Übereinstimmung der Reflektoramplitude/ Echodynamik in und Experiment POD-Bestimmung mittels simulierter Amplitudenwerte legitim Aufgrund Symmetrie Bestimmung der Amplitude diskreter Punkte ausreichend Beispiel: der Amplitude von FBB bei einem Schallweg von s = 1 mm mit Prüfkopf BS 4 R n =,5 R n = 1, R n =, 4 4 d x mm Rn,5.xlsx 1mm Rn1.xlsx 1mm Rn.xlsx mh3 v4..1 mh3 v4..1 mh3 v DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, der Fehlerauffindwahrscheinlichkeit Wahl eines Schwellwertes hier: max. Amplitude einer FBB mit Ø=1,5mm In der Praxis: 3 bzw. db über Rauschen Berechnung der POD-Kurve Bestimmung von a 9/95 R n =, a 9 95 a 9 a ^.57 ^ R n = 1, a 5 a a 9 95 ^.5383 ^.89178,5 1 1,5 norm. Rastergüte R n / mm R n =, a 5 ^.4735 ^ DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,

9 Zusammenfassung Senkrecht getroffene Reflektoren werden aufgrund des Prüfrasters unterbewertet: Rn=,5 max. 13 db Rn=1, max.,5 db Rn=, max. 3 db Zusätzliche Unterbewertung bei Schräglage des Reflektors Gute Übereinstimmung zwischen und Experiment in maximaler Amplitude Echodynamik Aussage über die Fehlerauffindbarkeit ausgehend von sdaten möglich 17 DACH-Jahrestagung 15 Salzburg, Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Für Fragen stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung. Kontakt: Marcel Preißel Unter den Eichen 87 5 Berlin Telefon: marcel.preissel@bam.de DACH-Jahrestagung 15 Salzburg,