Phased Array Ultraschall

Die Ultraschallprüfung mit Phased Arrays oder konventionell: Eine Analyse auf Basis industrieller Prüfeinrichtungen zum Schweißen.

Einleitung in die Phased-Array-Technologie

Die Ultraschall-Phased Array (UT)-Inspektion ist eine leistungsfähige, nicht-destruktive Prüfmethode, die sich schnell ausbreitet. Für einen Untersucher, der damit nicht vertraut ist, kann es jedoch kompliziert sein. In diesem Lernprogramm, dem Sie in Ihrem eigenen Tempo folgen, lernen Sie die Grundlagen der Phased-Array-Ultraschallprüfung kennen, sowohl für Anfänger als auch für Fortgeschrittene, die ihr Grundwissen erweitern möchten.

Angefangen mit einer Erläuterung des Phased-Array-Tests und seiner Vorgehensweise, über einige Auswahlkriterien für Sensorik und Geräte bis hin zu einem Verweis auf Anwendungsbeispiele von Phased-Array und einem Glossar für Phased-Array. 1.4 Was ist ein Phased-Array-System? 1.5 Was können Phased Arrays leisten?

1.4 Was ist gestaffelt?

Der Phased Array Sensor ist ein Wandler, der mehrere einzelne Elemente in einem gemeinsamen Gerät aufnimmt. Das Phased-Array-System beruht auf einem Ultraschallsensor, der viele einzelne Elemente (in der Regel 16 bis 256) beinhaltet, die in einem vorprogrammierten Raster erregt werden. Weitere detaillierte Angaben zum Phased-Array sind in den nachfolgenden Kapiteln dieses Lernprogramms enthalten. Faites-nous, was Sie suchen, indem Sie das folgende Formular ausfüllen.

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Das Ultraschallverfahren hat sich zu einem erprobten Verfahren zur Bewertung von Rohstoffen, Halbfabrikaten und Endprodukten weiterentwickelt. Gerade bei der automatisierten Prüftechnik sind höchste Prüfgeschwindigkeiten und eine große Prüfschärfe unerlässlich. In vielen Anwendungsfällen können diese Voraussetzungen durch den Gebrauch von Phased-Array-Sonden erfüllt werden. Die Tendenz zu immer kleinerer, preiswerterer und zugleich leistungsfähigerer Elektronik hat inzwischen dafür Sorge getragen, dass Phased-Array-Systeme in der Industrie kostengünstig eingesetzt werden können.

Prinzipiell ist ein Array ein großer Einzeloszillator, der durch Ausschneiden in viele enge Teile aufgeteilt wurde - wie in Bild 1 dargestellt. Eine Array-Sonde besteht in der Regel aus 16, 32, 64, 128 oder 256 Einzelelementen, die in einem gemeinsamen Aufbau mit einer entsprechend kleinen Zahl miniaturisierter Sendervorverstärker-Elektronik gekoppelt sind. Der Hauptvorteil von Phased-Array-Reflektoren ist ihre Möglichkeit, einen Ultraschallstrahl zu montieren.

Damit steht eine Sonde mit einer großen Zahl von Abstrahlwinkeln und Schärfentiefen zur Verfügung, die mit der Taktrate der Ultraschall-Elektronik verändert werden können. Darüber hinaus kann durch die Wahl der zu steuernden Array-Elemente die Grösse des Aktivoszillators von Puls zu Puls verändert werden, was eine weitere Veränderung der Schallfeld-Eigenschaften ermöglicht (Bild 6).

Mit einem Array von 128 Bauteilen können z.B. 16 Bauteile zu einer Oszillatorgruppe zusammengefasst werden, deren Klangfeld mit entsprechender Verzögerung dynamisiert und/oder umgelenkt wird. Dann kann diese Gruppierung stufenweise in Arraylängsrichtung um 1 oder mehrere Element verschoben werden, so dass eine weitere Linearverschiebung des Schallfelds über die ganze Array-Länge entsteht (Bild 7).

Technische Angaben zu möglichen Array-Konfigurationen sind in Tab. 1 zusammengefasst. Durch die eingesetzte 1-3 Piezoverbundkeramik (Bild 8) entstehen Arrays mit guter Dämpfung bei gleichzeitiger großer Amplitude. Die oben geschilderten Merkmale der Phased-Array-Technologie bieten beim Betrieb in automatisierten Prüfsystemen entscheidende Vorteile: Die Einstellungsdaten werden im Computer zwischengespeichert. Eine Array-Sonde löst mehrere herkömmliche Sonden ab und verbessert die Fehlererkennung.

Der Anschluss der Sonden erfolgt über den Sendervorverstärker und die Multiplex-Elektronik im Inneren des Gehäuses oberhalb der Röhre (Bild 10). Das Schallfeld der beiden Array-Sonden wird zur optimalen Fehlerkontrolle und Wandstärkemessung dynamisiert und gebündelt (Bild 11). Das Prüfsystem ermöglicht den Automatikbetrieb mit unterschiedlichen Leitungsdurchmessern, ohne dass die Sonden nachjustiert werden müssen.

Für die Überprüfung verschiedener Rohrdurchmesser genügt die elektrische Verstellung von Gruppengrösse, Schrittgrösse, Schwenkwinkel und Fokussierbarkeit. Diese Applikation nutzt alle oben genannten Phased-Array-Funktionen: Lineares Scannen, um den Schallstrahl auch dann aufrechtzuerhalten, wenn die Schweißnaht in der Schweisszone auswandert. Die Verwendung der Array-Technologie für die Schweißnahtprüfung an Widerstandsschweißrohren ermöglicht die Umsetzung von Prüfmechanismen mit kurzen Baulängen, die somit auch in bestehende Anlagen nachgerüstet werden können.

Zusätzlich zu den oben genannten Fehlerprüfverfahren ist die Wandstärkenmessung auch eine Applikation der Array-Technologie zur Qualitätssicherung von Widerstandsschweißrohren. Das Array ist auf die Wandstärke der Röhren ausgerichtet und lineare Zeitmessung. Für die automatische Stabprüfung auf Kern-, Nah- und Oberflächendefekte werden in der Regel 2 Array-Prüfköpfe mit halbrund gekrümmten Schallaustrittsflächen (180°-Arrays) eingesetzt (Bild 12).

Jede Sonde hat 128 Bauteile, von denen 16 simultan zur Bildung der realen Sonde anregbar sind. Der Ultraschall anschluss erfolgt über einen sich drehenden Wasserstrahlmantel, der sich in der Testkammer zwischen Sondenkopf und Stab bildet. Bei der Serienanregung von 16 Bauteilen kann ein sich drehender Schallkegel generiert werden, ohne dass der Messkopf oder -stab maschinell verdreht werden muss.

Das System mit den Gruppenstrahlerprüfköpfen beinhaltet daher keine bewegten Bauteile. Das Klangfeld des Feldes kann allein durch die Steuerelektronik an die Erfordernisse angepasst werden: Auch bei Dimensionswechseln während der Stabprüfung sind die kurzen Wechselzeiten ein besonderes Plus der Array-Technologie. Ein mechanisches Nachjustieren der Sonden ist nicht notwendig, da alle Einstellarbeiten über den Aufruf der hinterlegten Werte erfolgt.

Die Verwendung von Array-Prüfköpfen bietet insbesondere bei der Wartung von Radsatzwelle im laufenden Einsatz große Vorzüge. Einerseits ist die für die Kupplung zur Auswahl stehenden Achsflächen durch den Rad- und Scheibenbremssitz sehr begrenzt, so dass der zu untersuchende Achsraum nur durch einen großen Winkelbereich abgedeckt werden kann.

Beide zusammen können nur mit Array-Prüfköpfen erreicht werden. Bild 13: Anordnung des Prüfkopfes bei der Inspektion von Radsatzwelle. Es werden 3 MHz-Arrays mit je 16 Elemente eingesetzt, davon 4 pro Axis. Ein Testkopf befindet sich zwischen Radsitz und Bremsscheibenaufnahme (Pk 1 und 2 in Bild 13) und hinter dem Bremsscheibenaufnahme (Pk 3 und 4 in Bild 13).

Aufgrund der Übergaberadien zwischen Achs- und Radsatz- bzw. Bremsscheibenaufnahme haben einige Achsentypen in axialer Richtung gewölbte Kupplungsflächen. In diesem Falle muss die Kopplung über entsprechende angepasste Abriebsohlen der Arraysonden geschehen, d.h. die Sonden sind beidseitig bogenförmig. Bremsscheibenaufnahme in der Mitte der Welle. Die Sonden 3 und 4 können in diesem Falle um 180° verdreht und in die Stellungen 3a und 4 a gefahren werden, so dass auch hier eine komplette Inspektion ohne weitere Sonden möglich ist.

Praxisbeispiele zeigen die Vorzüge des Einsatzes von Phased Arrays. Der Prüfling wird in einer einzigen Drehrichtung ausschließlich elektrisch abgetastet, d.h. ohne die von der herkömmlichen Inspektionstechnik geforderte Verschiebung des Prüfkopfes oder Prüflings. Die elektronische Schwenkung und Fokussierung des Schallkegels ermöglicht eine fast vollständige Inspektion mit einer hohen Empfindlichkeit.