Wie funktioniert die Phased-Array-Ultraschallprüfung?
Wie bereits erwähnt, bestehen Phased-Array-Ultraschallprüfköpfe aus mehreren piezoelektrischen Kristallen, die unabhängig voneinander zu unterschiedlichen Zeiten senden/empfangen. Ein Ultraschallstrahl wird mit Hilfe von Zeitverzögerungen fokussiert, die auf die Elemente angewendet werden, um eine konstruktive Interferenz in den Wellenfronten zu erzeugen. Durch diese Interferenz kann die Energie in jeder beliebigen Tiefe und in jedem beliebigen Winkel im Prüfling fokussiert werden.
Phased-Array-Ultraschallprüfung (PAUT)
Jedes Element strahlt zu einer bestimmten Zeit eine Kugelwelle ab und erzeugt so Wellen, die konvergieren und divergieren, um eine nahezu ebene Wellenfront an der angegebenen Stelle zu erzeugen. Durch Ändern der progressiven Zeitverzögerung kann der Strahl elektronisch gesteuert und wie ein Suchscheinwerfer durch das Prüfmaterial geschwenkt werden. Wenn mehrere Strahlen zusammengeführt werden, entsteht ein visuelles Bild, das einen Schnitt durch das Prüfobjekt zeigt.
Es gibt verschiedene Techniken, die mit PAUT-Systemen verwendet werden können.
Totale Fokussierungsmethode (TFM)
Bei dieser Methode wird das Grundprinzip der Phased-Array-Fokussierung auf einen definierten Prüfbereich angewendet. Der Prüfbereich wird in ein Gitter von Positionen oder Pixeln segmentiert, wobei die Strahlformung auf jedes Pixel im Gitter angewendet wird.
Elektronisches Scannen
Das elektronische Scannen reproduziert die Prüfung, die durch manuelles Bewegen eines Standard-UT-Prüfkopfes durchgeführt wird. Ein Ultraschallstrahl wird elektronisch über den gesamten Prüfkopf verschoben, was eine schnellere Prüfung bei gleichzeitiger Begrenzung der mechanischen Verschiebung ermöglicht. Das Verfahren kann mit einer S- oder L-Welle durchgeführt und mit Strahlfokussierung und Strahlsteuerung kombiniert werden.
Sektor-Scanning
Beim Sektor-Scanning werden elektronische Verzögerungsgesetze verwendet, um die Ultraschall-Einkopplungswinkel in einem definierten Sektor elektronisch zu verändern. Dies bedeutet, dass nur ein Schallkopf benötigt wird, um Komponenten unter verschiedenen Winkeln zu prüfen, und ist außerdem viel schneller als das Standard-Winkel-UT, das Querschnitte der Probe in Echtzeit anzeigt und eine einfachere Interpretation ermöglicht. Diese Technik kann mit elektronischer Fokussierung kombiniert und für L- und S-Wellen verwendet werden.
Vorteile der Phased-Array-Ultraschallprüfung
Zu den Vorteilen von Phased Arrays gegenüber konventionellen Ultraschallprüfköpfen gehören bessere Bedienbarkeit, Bequemlichkeit, Prüfgeschwindigkeit und Sicherheit. Ein Phased-Array-Prüfkopf ist robuster und einfacher handzuhaben als herkömmliche Einzelelement-Prüfköpfe. Er bietet eine verbesserte Effizienz, erfasst Hunderte von Signalen auf einmal und reduziert die Anzahl der Fehlalarme. PAUT-Prüfstrategien können optimiert werden, um die Fehlererkennung zu verbessern, wenn sie zusammen mit der Simulation verwendet werden, während die Datenaufzeichnung und Rückverfolgbarkeit ebenfalls stark verbessert werden.
Die Phased-Array-Ultraschallprüfung liefert eine dauerhafte Aufzeichnung, erzeugt keine radioaktive Strahlung und kann für mehrere Anwendungen eingesetzt werden. Da PAUT Defekte an der Oberfläche und im Volumen einer Schweißnaht erkennen kann (ohne Totzone), gibt es auch Informationen über die seitliche Position eines Defekts (Tiefe und Höhe).
Die wichtigsten Vorteile der Phased-Array-Ultraschallprüfung sind:
Vereinfachte Prüfung und Auswertung
Ein Phased-Array-Prüfkopf kann mehrere konventionelle Ultraschallprüfköpfe ersetzen, wodurch komplexe Verfahren vereinfacht werden und die Einrichtung und Kalibrierung mehrerer Prüfköpfe entfällt. Dies ermöglicht auch eine vereinfachte Funktionalität, einschließlich Echtzeit-Bildgebung.
Erhöhte Fehlerdetektion
Da eine Sonde zur Steuerung der Richtung und Form des Strahls verwendet wird, kann die Oberfläche in verschiedenen Winkeln gescannt werden. Dies ermöglicht eine erhöhte Abdeckung bei der Fehlererkennung sowie die Prüfung komplexer Geometrien. PAUT ist auch effektiv bei der Bestimmung der Materialdicke, was für die Ultraschallbestimmung von Korrosion oder Erosion eines Prüfstücks nützlich ist.
Schnellere Prüfgeschwindigkeiten
Durch die elektronische Abtastung aufeinanderfolgender Gruppen von Elementen in einem Array reduziert PAUT die Notwendigkeit einer mechanischen Abtastung und verkürzt die Prüfzeiten. Auch die Prüfgeschwindigkeit wird im Vergleich zu konventionellen Prüfköpfen verbessert, da die Phased Arrays es dem Benutzer ermöglichen, die Form und den Brennpunkt des Ultraschallstrahls zu ändern, um jede Prüfung zu optimieren. Dies bedeutet, dass keine manuelle Einrichtung und Neukonfiguration für jede einzelne Prüfung erforderlich ist. Darüber hinaus ermöglicht die dynamische Tiefenfokussierung Messungen in mehreren Tiefen in der gleichen Zeit, die für eine einzelne Tiefenmessung mit einem herkömmlichen Prüfkopf benötigt wird. Da eine digitale Rückmeldung sofort empfangen werden kann, können außerdem Fehleridentifizierung und Beurteilung der Schweißnahtqualität schneller abgeschlossen werden.
Zuverlässigere Ergebnisse
Die Reduzierung oder der Wegfall der mechanischen Abtastung verbessert nicht nur die Prüfzeiten, sondern erhöht auch die Zuverlässigkeit der Messungen, da Änderungen oder der Verlust der Kopplung, die bei jeder Bewegung eines Prüfkopfes ein Risiko darstellen, vermieden werden. Das bedeutet auch, dass Phased-Array-Prüfköpfe Prüfergebnisse mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit liefern.
Nachteile der Phased-Array-Ultraschallprüfung
Obwohl PAUT eine Reihe von Vorteilen bietet, gibt es auch ein paar Nachteile, die berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören:
Beschränkte Anwendbarkeit
Trotz des breiten Anwendungsspektrums, in dem PAUT glänzt, ist es nicht die bevorzugte Prüfmethode für die Erkennung von Oberflächenrissen, Metallermüdung oder Bolzenloch- und Rohrinspektionen. In diesen Fällen wird im Allgemeinen die Wirbelstromprüfung bevorzugt, während PAUT für die Korrosionserkennung und die Prüfung von Verbundwerkstoffen und dickeren Schweißnähten effektiv ist. Darüber hinaus ist der Einfallswinkel bei der Verwendung von S-Scan nicht immer optimal.
Komplexität
Die PAUT-Ausrüstung ist fortschrittlicher als herkömmliche Ultraschallprüfgeräte und verfügt über mehrere Datenoptimierungsfunktionen. Die Ausrüstung sollte von geschultem Fachpersonal verwendet werden, um das Risiko einer ungenauen Prüfung auszuschließen und die Vorteile von PAUT voll auszuschöpfen.
Kosten
PAUT-Geräte sind in der Regel auch teurer als herkömmliche Ultraschallprüfsysteme. Dies liegt an den erweiterten Funktionen, die PAUT-Systeme bieten, obwohl diese zu schnelleren, genaueren und effizienteren Prüfungen führen können, was letztendlich zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten führen kann.
Anwendungen
Phased Arrays können alle Aufgaben erfüllen, die von konventionellem Ultraschallprüfköpfen erledigt werden können. Sie werden für eine Vielzahl von Prüf- und Messanwendungen eingesetzt, einschließlich solcher für die medizinische Bildgebung und die industrielle zerstörungsfreie Prüfung (ZfP).
PAUT ist ideal für nicht-invasive Materialuntersuchungen, zum Auffinden von Fehlern in Schweißnähten und zur Beurteilung der Qualität von Nieten, kann aber auch durch Korrosion verursachte Risse, Hohlräume und Vertiefungen erkennen. Die Technologie kann Material- und Beschichtungsdicken messen, Änderungen der Materialeigenschaften erkennen und Verbindungen und Schnittstellen inspizieren, einschließlich der Abbildung von Klebstoffen.
Als fortschrittliche ZfP-Methode wird sie zur Erkennung von Diskontinuitäten eingesetzt, um die Bauteilqualität zu bestimmen:
- Schweißnaht-Prüfungen
- Dickenmessungen
- Korrosionsinspektion
- PAUT-Validierung/Demonstrationsblöcke
- Inspektion von Rädern und Achsen von Schienenfahrzeugen
- PAUT- und TOFD-Standard-Kalibrierblöcke
- Druckgefäße
Aufgrund dieses Anwendungsspektrums ist Phased Array in verschiedenen Industriezweigen weit verbreitet, z. B. im Baugewerbe, bei Pipelines und in der Energieerzeugung.
Was ist ein Phased-Array-Ultraschall-Schallwandler (Transducer)?
Ein Ultraschallwandler (Transducer) ist ein Gerät, das eine Energieform in eine andere umwandelt. Im Fall der Phased-Array-Ultraschallprüfung wandelt ein piezoelektrischer Kristall elektrische Energie in Ultraschallenergie um.
Phased Arrays kombinieren mehrere Ultraschallwandler, die einzelne Elemente in einer bestimmten Reihenfolge abfeuern, um die Schallwelle in die gewünschte Richtung zu lenken.
Fazit
Die Phased-Array-Ultraschallprüfung bietet eine Reihe von Vorteilen und kann in einer Reihe von Anwendungen und Branchen eingesetzt werden. Als zerstörungsfreie Prüfmethode ist sie zuverlässiger, effektiver und schneller als viele andere Methoden, wie zum Beispiel die Durchstrahlungsprüfung.
Es gibt zwar einige Nachteile, aber mit der richtigen Schulung und bei geeigneten Anwendungen können Anwender Prüfungen der Materialstärke, Schweißnähte, Korrosion, Klebstoffe und vieles mehr durchführen.