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Phased Array Technologie (PAUT)
zerstörungsfrei geprüft
Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung mit Phased Array Technologie (PAUT)
Die Phased Array Ultraschallprüfung (PAUT) ist eine zerstörungsfreie Prüftechnik, welche mit Hilfe der Gruppenstrahlertechnologie in Echtzeit komplexe Geometrien und Fehlergrößen in einer Vielzahl von Materialien erkennt.
Die Phased Array Ultraschall Technologie kennt man im Alltag wohl am ehesten aus der medizinischen Diagnose. So werden Phased Array Sensoren z.B. bei der Ultraschalluntersuchung innerer Organe oder auch in der Schwangerschaft genutzt. Hier erzeugt das Prüfgerät mit entsprechender Software und einem sog. Multieelementprüfköpf hochauflösende Querschnittsbilder des Körpers. Die Organe können mit dem Ultraschallsensor unter verschiedenen Einschallwinkeln und -tiefen betrachten werden. Diese elektronische Fokussierung und/oder Winkelschwenk sowie unterschiedlichen Schallfelder machen den Multielementprüfkopf zu einem Phased Array Prüfkopf. Die Beschaffenheit des menschlichen Körpers eignet sich mit seinem hohen Wasseranteil ideal für die Ultraschallprüfung und ermöglicht eine relativ leichte Durchschallung und Analyse.
Auch in der Industrie wird seit einigen Jahren verstärkt auf die Phased Array Ultraschalltechnik gesetzt. Im Gegensatz zu dem menschlichen Körper ist der Einsatz hier jedoch deutlich komplexer. Dies liegt daran, dass die zu prüfenden Materialien (z.B. Metalle, Verbundstoffe, CFK) unterschiedliche akustische Eigenschaften, Geometrien und Dicken besitzen, und zudem weniger leicht zu durchschallen sind. Es werden Volumenfehler und Schweißnähte untersucht, Wanddicken gemessen und Materialien auf Korrosion geprüft.
Prinzip der Phased Array Ultraschallprüfung
Die Phased Array Ultraschallprüfung beruht wie die konventionelle Ultraschallprüfung auf dem Impuls-Echo-Verfahren, welches das meistgenutzte Ultraschallverfahren darstellt. Bei diesem Verfahren kann aus der Laufzeit und der Schallschwächung der Echoimpulse in Materialien auf das Vorhandensein sowie auf die Dimensionen von möglichen Fehlern geschlossen werden.
Im Gegensatz zur konventionellen Ultraschallprüfung kann durch die Phased Array Technologie eine erhöhte Prüfgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit, Vereinfachung komplexer Prüfabläufe sowie neben dem A-Bild auch eine bildgebende Darstellung des Materials erzeugt werden.
Fehlersuche
Erkennbare Fehler mit Hilfe der Phased Array Ultraschallprüfung
- Risse im Material können durch äußere Krafteinwirkung oder Spannung im Material bzw. Bauteil selbst entstehen. Mit PAUT können sowohl Oberflächenrisse wie auch Risse innerhalb des Materials zuverlässig detektiert werden.
- Poren können entstehen, wenn sich Gase noch in der Schmelze befinden, während diese erstarrt. Mit Hilfe der Ultraschallprüfsysteme sind sie mit der bildgebenden Technologie visuell auf den ersten Blick zu erkennen.
- Lunker sind bei der Fertigung entstandene Hohlräume im Material. Da diese meistens größer sind als Poren, können sie mit der Ultraschalltechnik sehr gut gefunden werden.
- Dopplungen sind Fehler im Walzstahl in Form einer Aufspaltung des Materials. Sie entstehen, wenn Hohlräume wie Lunker bei der Weiterverarbeitung des Materials (z.B. Schmieden) flach gedrückt werden. Dieser Fehlertyp ist für die Ultraschallprüfung ideal, denn eine senkrechte Einschallung in das Blech oder auf die Schmiedelinien ermöglicht eine gute Detektierbarkeit.
- Seigerungen sind Entmischungen einer Schmelze bei der Metallherstellung. Dieser Materialfehler zeigt sich beim Ultraschall durch einzelne Echos und/oder Echoberge und/oder auch durch eine starke Dämpfung des Rückwandsignals.
- Einschlüsse im Material, z.B. Kupferpartikel in Schweißverbindungen durch Kuperelektroden. Diese Fehler können aufgefunden werden, wenn der Schallwellenwiderstand des eingeschlossenen Materials sich eindeutig von dem umgebenen Material abgrenzt.
- Schlackenzeilen sind nichtmetallische Einschlüsse, welche durch Unregelmäßigkeiten während des Gießprozesses entstehen können. Auch Diese lassen sich mit Ultraschall gut detektieren.
- Wanddickenschwankungen können direkt beim Fertigungsprozess oder nachträglich durch Verschleiß wie Korrosion entstehen. Derartige Fehler sind durch Vermessen der Entfernung zur Rückwand sehr gut durch Ultraschall zu erkennen.
zerstörungsfrei geprüft
Was sind die Vorteile von Phased Array?
Der Vorteil der Phased Array Technologie gegenüber der konventionellen Ultraschalltechnik liegt in der elektronischen Schallbündelsteuerung und Fokussierung der vielen Einzelelemente des Multielemente- bzw. Phased Array Prüfkopfes. Daraus ergeben sich folgende Fähigkeiten:
- Die Einzelelemente werden von der Prüfsoftware dynamisch mit der eingestellten Pulsfolgefrequenz angesteuert, sodass jeder Prüfpunkt des Bauteils auch bei komplexen Geometrien optimal durchschallt wird. Dadurch kann die Schallbündelform und -größe elektronisch und sehr schnell ideal an die zu erwartende Fehlerstelle angepasst werden.
- Die elektronische Fokussierung des Schallbündels in verschiedenen Tiefen ermöglicht bei der Volumenprüfung eine bessere Größenbestimmung von Fehlstellen.
- Durch einen sog. Sektorscan kann das Bauteil in nur einem Durchgang unter verschiedenen Winkeln geprüft werden.
- Auch für beschränkt zugängliche Prüfobjekte ist die Phased Array Technologie durch die Fähigkeit der Änderung des Einschallwinkels ohne Bewegen des Prüfkopfes bestens geeignet.
- Durch den Ersatz von Mechanik durch Elektronik wird der Verschleiß reduziert.
- Hohe Reproduzierbarkeit durch die digitale Speicherung der Einstelldaten und dadurch Minimierung von mechanischen Einstellungen.
Diese technischen Features erhöhen nicht nur die Wahrscheinlichkeit der Fehlerauffindung, sondern beschleunigen oftmals auch den Prüfvorgang.
Kopfsache
Phased Array Prüfköpfe
Bei der konventionellen Ultraschallprüfung werden Standard Prüfköpfe oder SE-Prüfköpfe genutzt. Standardprüfköpfe arbeiten mit einem Schwingerelement, welches Ultraschallimpulse versendet und auch empfängt. SE-Prüfköpfe besitzen zwei Elemente – einen Sender- sowie einen Empfänger – wodurch sog. Totzeiten vermieden werden. Das hat den Vorteil, dass auch oberflächennahe Fehler detektiert werden können.
Um ein sogenanntes Array mit konventionellen Prüfköpfen zu erzeugen, werden diese z.B. linear oder clusterförmig angeordnet. Hierdurch kann gleichzeitig eine größere Fläche oder auch gleichzeitig unter verschiedenen Winkeln geprüft und dadurch die Prüfdauer reduziert werden. Ein Applikationsbeispiel ist das PROline Rohrprüfsystem, welches für die Fa. TÜV Nord Material Testing entwickelt wurde. Es arbeitet mit einer clusterförmigen Prüfkopfanordnung und konnte so die Prüfdauer im Vergleich zur vorherigen Ultraschallprüfung halbieren.
Abbildung: PROline Rohrprüfsystem mit clusterförmigen Prüfkopfanordnung
Ein Phased Array Prüfkopf ersetzt solche Prüfkopfanordnugen. Er ist vereinfacht eine Zusammenfassung solch einzelner Prüfköpfe bzw. Elemente in nur einem Gehäuse – nur sind diese Elemente viel kleiner als ein normaler Prüfkopf.
Die Funktionsweise eines Phased Array Prüfkopfes
In einem Phased Array Prüfkopf sind 16 bis zu 256 kleine Schwingerelemente verbaut. Es handelt sich hierbei um piezoelektrische Kristalle. Diese Schwingerelemente können unabhängig voneinander zu gleichen oder auch unterschiedlichen Zeiten Schallimpulse senden und empfangen. Sie können als Linien-Array (Streifen), als 2D Matrix, als Ring-Array oder in einer komplexen beliebigen Form angeordnet sein.
So entstehen durch das Zusammenschalten von mehreren Schwingerelementen „virtuelle Prüfköpfe“, die sich so verhalten wir ein Einzelschwinger mit den entsprechenden Eigenschaften der Schallfeldgröße, der Schallrichtung und Fokussierung.
Solche Phased Array Sensoren können mit unterschiedlichen Vorlaufstrecken in Kontakt-, Bubbler- oder in Tauchtechnik eingesetzt werden.
Durch die elektronische Aktivierung bzw. Steuerung dieser einzelnen Elemente werden lenkbare Wellenfronten erzeugt. Dadurch können Prüfbereiche flexibel, schnell und ohne Sensorbewegung abgetastet werden. Man kann sich einen lenkbaren Suchscheinwerfer vorstellen, der durch das Material geführt wird.
Um senkrecht in das Material einzuschallen werden in der beispielhaften Abbildung alle vier Elemente gleichartig angesteuert. Dadurch verläuft die Wellenfront senkrecht durch das Material.
Um unter einem bestimmten Winkel einzuschallen, werden die Elemente von links nach rechts verzögert angesteuert. Dadurch wandert die Wellenfront schräg durch das Material. So kann ohne Winkelprüfkopf flexibel unter diversen Winkeln in das Material geprüft werden.
Auf die gleiche Weise wie beim Aussenden der Schallimpulse kombiniert die Empfängerfunktion auch die eingehenden Impulse dieser vielen Elemente in einer einzigen Darstellung.
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so gehts
Funktionsweise der Phased Array Prüfsysteme
Phased Array Ultraschallprüfgeräte und -systeme ermöglich wie bereits erwähnt die flexible Steuerung von Schallwellen in einem Material. Sie können ohne Bewegung durch das Prüfmaterial schwenken und dynamisch in verschiedene Tiefen fokussieren. Hierdurch kann ein Phased Array Prüfkopf mehrere konventionelle Ultraschallprüfköpfe ersetzen, wodurch komplexe Prüfverfahren deutlich vereinfacht werden.
Durch das Zusammenführen mehrerer Schallimpulse erzeugt diese Technologie ein visuelles Bild des zu prüfenden Bereiches. Dies ermöglicht die bildgebende Darstellung von Prüfergebnissen in Echtzeit und dadurch eine erhebliche Erleichterung der Prüfung.