Beispiele innovativer rationeller Prüfsysteme mit Gruppenstrahlertechnik in industriellen Anwendungen

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1 Beispiele innovativer rationeller Prüfsysteme mit Gruppenstrahlertechnik in industriellen Anwendungen Rainer Meier, Günter Engl, intelligendt Systems & Services, Erlangen 1. Einführung Durch die Einführung der Gruppenstrahlertechnik wurde die mechanisierte und automatisierte Ultraschallprüfung nachhaltig beeinflusst. Die Fähigkeit der Array- Prüfköpfe, verschiedene Wellenarten unter unterschiedlichen Einschallwinkeln elektronisch gesteuert erzeugen zu können, führte zu vereinfachten mechanischen Prüfaufbauten und zur schnelleren und wirtschaftlicheren Prüfdurchführung. Mehr und mehr erkennen die Ultraschallprüfer, welches Potential die Gruppenstrahlertechnik für eine sichere Fehlersuchtechnik und eine präzise Fehlergrößenbestimmung bietet. Neuere Entwicklungen wie Arraylineale und Matrixarrays finden zunehmend Einsatz. Damit ist ein neuer Innovationsschub für verschiedene Anwendungen zu erwarten. Es sollen die Vorteile der Arraytechnik ausgehend von heute üblichen Arrayprüfköpfen bis hin zur Linien- und Matrixarrayanwendung aufgezeigt werden. Dabei liegt das Innovationspotential nicht allein bei der Arrayanwendung, sondern vor allem in der optimierten Abstimmung aller relevanter Prüfkopfparameter wie Vorlaufstrecke, geometrische Anpassung, Auslegung von Keil-, Dach- und Schielwinkel, Verschleißschutz, Koppelmittelzuführung, Adaption an die Prüfmechanik, Verkabelung und nicht zuletzt der optimierten Bandbreite der Prüfköpfe. 2. Innovationen mit Arrayprüfköpfen 2.1 Arrayprüfsystem zur Prüfung von Eisenbahnrädern Eisenbahnräder sind großen Beanspruchungen und starkem Verschleiß ausgesetzt und deshalb vor allem im Schnellverkehr wiederkehrend zu prüfen. Durch die konsequente Nutzung der Arraymöglichkeiten ist es gelungen, das Prüfkopfsystem gegenüber dem bisherigen Stand auf etwa die Hälfte zu verkleinern. Aber nicht allein die Arraytechnik hat diesen Innovationssprung ermöglicht, der Schlüssel liegt auch in der anwendungsgerechten Konstruktion der Sensorik. Durch Integration von Verschleißschutz und Koppelmittelzuführung in den Prüfkopf wurde eine sehr kompakte Bauweise und eine sichere Ankopplung an die Prüfoberfläche erreicht. Die Gestaltung des Prüfkopfgehäuses als Teil der kardanischen Aufhängung sowie die abgestimmte Anordnung des Prüfkopfkabels ermöglichten eine weitere Optimierung des Platzbedarfs. Die Abstimmung von Keil-, Dach- und Schielwinkel der Prüfköpfe an die Prüfaufgabe und die sich im Betrieb ändernde Radgeometrie sichert eine hohe Prüfempfindlichkeit. Abbildung 1: Prüfkopf für Eisenbahnradprüfung 95

2 Durch Anpassung der Winkelansteuerung an den Verschleißzustand der zu prüfenden Räder wird außerdem die hohe Prüfempfindlichkeit während des gesamten Einsatzzyklus der Eisenbahnräder garantiert. Das entwickelte Prüfsystem ist aufgrund seiner Größe und seiner prüfungsrelevanten Eigenschaften zur Prüfung der Räder am betriebsbereiten Zug geeignet. Es kann dabei sowohl mit einer von Radsatz zu Radsatz fahrenden Hubeinrichtung zur Prüfung an stehenden Eisenbahnzügen kombiniert werden, als auch in einem automatisierten System eingesetzt werden, das synchron zu einem rollenden Zug fährt und das Prüfsystem jeweils für kurze Zeit an das Rad anklappt. In Abb. 1 wird ein für die Eisenbahnradprüfung entwickelter Prüfkopf gezeigt. 2.2 Gruppenstrahlerprüfköpfe für Fehlersuche und Fehlergrößenbestimmung an austenitischen Rohrleitungen und Mischnähten Die Prüfung von austenitischen Rohrleitungen und Mischnähten in Kernkraftwerken stellt höchste Anforderungen bezüglich Fehlerdetektion und Fehlergrößenbestimmung. Deshalb findet die Gruppenstrahlertechnik zunehmend Eingang in dieses Arbeitsgebiet. Ein wesentlicher Aspekt ist dabei die Optimierung der Sensoren in Hinblick auf die Prüfaufgabe, welche durch Rohrradius, Wanddicke, Werkstoffkombination, zu erwartende Fehlerlage, Fehlertiefe, Oberflächenbeschaffenheit, Zugänglichkeit usw. definiert ist. Der Vorteil der Gruppenstrahlertechnik liegt in der Anwendungsmöglichkeit fast beliebiger Einschallwinkel, sowohl als Longitudinalwelle als auch als Transversalwelle. Die üblicherweise für diese Prüfaufgabe eingesetzten Prüfköpfe sind Sende-/Empfangsprüfköpfe. Abbildung 2: Empfindlichkeitskennlinie für einen SE-Prüfkopf (gültig für Zylinderbohrungen) 96

3 In der Abb. 2 wird gezeigt, wie sich bei einem SE-Gruppenstrahlerprüfkopf der geometrische Fokus in Abhängigkeit des angesteuerten Einschallwinkels verändert. Wie aus der Legende rechts oben zu entnehmen ist, werden dabei der Zentralstrahl und verschiedene Randstrahlen des Schallbündels betrachtet. Daneben ist noch die Schallbündelaufweitung mit zunehmendem Laufweg und der damit verbundene Empfindlichkeitsverlust zu berücksichtigen. Die an den einzelnen Kurven angetragenen db-werte stellen die relative Prüfempfindlichkeit dar. Mit kleiner werdendem Einschallwinkel und zunehmender Prüftiefe nimmt die Prüfempfindlichkeit ab. Dieses Verhalten wird sehr gut durch Messungen bestätigt (Abb. 3). Abbildung 3: Messergebnis an Testkörper mit Zylinderbohrungen in verschiedenen Tiefen Einen der entwickelten Modulprüfköpfezeigt die Abb. 4. Zur Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmesser wurden wechselbare Vorsatzkeile vorgesehen. Damit ist auch eine Anpassung des Schielwinkels zur Prüfung von Längsfehlern, Querfehlern sowie schräg liegende Fehlern gegeben. Abbildung 4: Modulprüfkopf mit Kabel und Stecker 97

4 Diese Prüfköpfe wurden im Rahmen einer Qualifikation an Blindtestkörper mit natürlichen Fehlern (Originalteile, herausgeschnitten aus der Anlage) bei einem japanischen Betreiber eingesetzt. Von 6 an der Qualifikation teilnehmenden namhaften internationalen Prüffirmen schloss unser Team mit dem besten Ergebnis ab. Eines der beteiligten Teams hat die Qualifikation nicht bestanden: Es war das einzige Team, das ohne Gruppenstrahlerprüfköpfe arbeitete. 3. Innovationen mit Arraylinealen und Matrixarrayanordnungen Ein Arraylineal weist eine lineare Anordnung vieler Array with 112 elements Arrayelemente auf, wobei für einen einzelnen A-scan nur eine Untermenge der Arrayelemente als aktive Elementgruppe genutzt wird. Um einen Scan in Arraylängsachse auszufüh- Abbildung 5: Funktionsweise eines Arraylineals ren, wird die aktive Elementgruppe von Prüftakt zu Prüftakt weitergeschaltet (elektronischer Scan). Je nach Arrayauslegung und Anwendungsfall erfolgt das Weiterschalten jeweils um ein Element, in Sonderfällen um mehrere Elemente. Das Funktionsprinzip eines Linienarrays zeigt die Abb. 5, Fotos eines ausgeführten Arrays sind in Abb. 6 und 7 dargestellt. Abbildung 6: Arraylineal, Ansicht von unten Abbildung 7: Arraylineal mit Positionsgeber Linienarrays machen in vielen Fällen, vor allem bei schmalen Prüfflächen, ein mechanisches Versetzen des Prüfkopfes überflüssig. Der mechanische Aufbau der Prüfeinrichtung samt Steuerung wird damit einfacher, die Prüfzeit wird verkürzt. Für einfache Prüfaufgaben, vor allem in der Wartung, bietet sich eine "teilmechanisierte" Prüftechnik an: Das Linienarray wird entlang einer z.b. mittels Saugnäpfen befestigten Schiene geführt, die Position mit einem Positionsgeber gemessen. Diese einfache Prüftechnik weist bezüglich der Ergebnis- 98

5 darstellung alle Vorteile und Möglichkeiten der automatisierten Prüfung auf. Arraylineale können sowohl in Impuls-Echo als auch in Durchschallung benutzt werden. Sie bieten sich vor allem für solche Fälle an, wo mit relativ einfachen Mitteln eine halbautomatisierte Prüfung realisiert werden soll. Da Arraylineale aufgabengemäß relativ lang sind und die zu prüfenden Komponenten in den seltensten Fällen eine exakt ebene Oberfläche aufweisen, ist sicherzustellen, dass Koppelspaltschwankungen keine Amplitudenschwankungen verursachen. Bei den folgenden Beispielen wurden Linienarrays mit einer Prüffrequenz von 4 MHz, 64 E- lementen und einer Einzelelementabmessung von 8 mm x 0,7 mm verwendet. Das gesamte Array ist ca. 45 mm lang, damit ergibt sich eine Prüfbreite pro Scan von ca. 40 mm. Die Piezoelemente sind hoch bedämpft, die HF-Signale sehr kurz, wie das an einer CFK-Komponente aufgenommene A-Bild in Abb. 8 zeigt. Abbildung 8: A-Bild, gemessen an CFK-Bauteil 3.1 Prüfung einer ebenen Platte in Kontakttechnik Die Prüfung in Kontakttechnik bietet sich für kleinere Prüfaufgaben und im Bereich der Wartung an, weil der mechanische Aufwand hierfür sehr gering ist. Beim hier gezeigten Beispiel wurde das Linienarray auf der zu prüfenden Platte einmal an einem Lineal entlanggezogen, die Position längs der Bewegung wurde mit einem Impulsgeber erfasst. Abbildung 9: Handgeführter Linienscan, Reflektorecho mit Rückwandecho Geprüft wurde eine Reflektorreihe. In Abb. 9 ist das Ergebnis dargestellt: Zu erkennen ist in schwarz das Rückwandecho; die drei Reflektoren schatten unabhängig von ihrer Tiefe das Rückwandecho ab. In den durch die Abschattung gebildeten Kreisringen ist das Echo der direkten Anschallung der Reflektoren zu erkennen. Die Arrayelemente zeigen eine sehr gleichmäßige Amplitude, das Rückwandecho liegt im gesamten Prüfbereich innerhalb einer Toleranz von ± 1 db. 99

6 3.2 Stringerprüfung Stringer sind langgestreckte Bauteile mit schmalen Querabmessungen und damit hervorragend zur Prüfung mittels Arraylineale geeignet. Bei richtiger Dimensionierung des Lineals genügen ein- oder zwei Scans zur Erfassung der Prüfbreite, durch seitliche Anschläge kann eine genaue Längsführung sichergestellt werden. Die Position der Längsbewegung kann mittels Reibrad- Impulsgeber oder Seilzuggeber erfasst werden. UT probe Cylindrical bore hole 1mm diameter Abbildung 10: CFK-Stringer mit Zylinderbohrung Die Abb. 10 zeigt ein Stringerstück, in das von der vorderen Stirnseite eine 1 mm Zylinderbohrung eingebracht wurde. Bei einer Arrayposition Depth Array length axis 1mm Diameter bore hole Backwall echo Echo from bond layer Abbildung 11: Online B-Bild-Darstellung Stringer mit Zylinderbohrung nahe der Stirnseite wurde das in Abb. 11 gezeigte B-Bild aufgenommen: Sehr deutlich ersichtlich ist das Rückwandecho, das sich in der Mitte im Bereich des Steges verliert. Die im Foto Abb. 11 zu erkennende Klebeschicht liefert ein mehr oder weniger starkes Zwischenecho, das im B-Bild e- benfalls erkennbar ist. Die 1 mm Zylinderbohrung tritt in der Mitte des Stegbereiches deutlich hervor. In der Abb. 12 wird das Projektionsbild der Stringerprüfung dargestellt. Die Bereiche im C-Bild mit hohem Echo (schwarze Farbe) stellen die parallele Rückwand dar. Im Bereich des Steges im Zentrum sowie im Bereich fliehender Rückwände verschwindet das Rückwandecho. Die Geometrie in der Seiten- und Endansicht wirkt komplex, ist aber auf die sich ändernden Wanddicken zurückzuführen. Die 1 mm Zylinderbohrung ist in 6 mm Tiefe einwandfrei zu erkennen. 100

7 C-scan Center line of the stringer Bore hole ø 1mm Bore hole ø 1mm End view Side view Bore hole ø 1mm Abbildung 12: Projektionsbild einer Stringerprüfung bei handgeführtem Scan 3.3 Bauteile, besonders geeignet zur Prüfung mittels Arraylineal Folgende Bauteilformen eignen sich besonders für die Anwendung von Arraylinealen: Stringer und Stringerfüße, Laserschweißnähte, Hohlprofile, deren Stege von Außen nicht prüfbar sind, großflächige ebene bis leicht gerundete Bauteile, für die ein hoher Prüfdurchsatz erforderlich ist. Als Lösung kommen einfache, entlang eines Anschlags von Hand geführte Linienarrays mit Positionsgeber oder mehrere teleskopisch zueinander in der Länge verschiebbaren Linienarrays an die Prüflingskontur angepasste Linienarrays sowie Prüfanlagen mit einer Reihe von mechanisch geführten Linienarrays in Frage. 3.4 Matrixarrays Matrixarray weisen ein zweidimensionales Array auf. Prüfköpfe mit Matrixarray erlauben ein elektronisch gesteuertes Schwenken des Schallstrahles bei gleichzeitigem gesteuerten Schielen. Ein zukünftiger Anwendungsfall für Matrixarrays sind SE-Prüfköpfe zur Rohrleitungsprüfung. Die in Abschnitt 2.2 beschriebenen Ultraschallprüfköpfe weisen feste Dachwinkel auf. Dabei ist es leider so, dass bei gegebenem Dachwinkel aufgrund der Brechung bei kleinen Rohrdurchmessern der geometrische Fokuspunkt in größerer 101

8 Tiefe liegt als bei größeren Rohrdurchmessern. Kleine Rohrleitungen haben aber im Allgemeinen geringere Wanddicken und würden demzufolge eine Fokussierung in geringerer Tiefe erfordern. Dies bedeutet, dass man für die unterschiedlichen Rohrdurchmesser und Wanddicken auch unterschiedliche Prüfköpfe braucht. Bei Einsatz eines Matrixarrays wird dieses Problem gelöst: Anstelle eines festen Dachwinkels kann der Schallstrahl elektronisch in Querrichtung gesteuert und damit an Außendurchmesser und Wanddicke angepasst werden. Das Innenleben eines hierfür geeigneten Matrixarray zeigt die Abb. 13. Ein weiteres zukünftiges Anwendungsgebiet für Matrixarrays stellt die Prüfung von kleinen Bauteilen dar: Hierfür kann ein ortsfestes Matrixarray verwendet werden, welches das Bauteil durch gezieltes Steuern des Schallstrahls abrastert. Abbildung 13: Kontaktierter Schwinger eines Matrixarrays 4. Ausblick Die Kostendegression im Bereich elektronischer Bauteile macht vielkanalige Ultraschallsysteme samt Elektronik zur Schallbündelsteuerung immer preiswerter. Dieser Trend wird sich weiterhin fortsetzen. Damit wird der Einsatz von Gruppenstrahlerprüfköpfen immer wirtschaftlicher. Das kommt auch dem Trend nach präziseren Prüfaussagen und schnellerer Prüfung entgegen. Gruppenstrahlerprüfköpfe sind bei verschiedenen Prüfaufgaben heute schon Standard und werden sich noch mehr durchsetzen. Prüfanlagen mit mehreren parallelen Arraylinealen sind in der Diskussion. Der Anschaffungsaufwand für vielelementige Sensoren erscheint auf dem ersten Blick zwar relativ hoch. Da aber der Verschleiß durch konstruktive Maßnahmen sehr gering gehalten wird und da Teilausfälle von Arrayelementen nach unseren Erfahrungen äußerst selten sind, ist eine lange Lebensdauer garantiert. Vereinfachungen der Mechanik machen damit den Einsatz der Arraylineale besonders wirtschaftlich. Für kleinere Aufgaben in der Fertigungsprüfung und in der Wartung eröffnet die Anwendung von Arraylinealen und zukünftig auch von Matrixarrays überhaupt erst eine wirtschaftliche, objektive und dokumentierte Prüfung. 102