Zusammenfassung

Ein neuartiges Konzept zur Fertigung von EMUS-SH und -SV-Wandlern im Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 2.5 MHz wird vorgestellt. Verfügbar sind Wandler in Ausführung als Gruppenstrahler mit bis zu je 6 Sende- und 6 Empfangselementen in Gehäuseabmessungen 40 mm x 40 mm x 30 mm. Die Anpassung der Wandler an gekrümmte Geometrien mit Radien bis zu 5.4 mm sind möglich. Als Anwendungsbeispiele werden diskutiert:
• Wanddickenbestimmung und Fehlerprüfung mit SV-Wellen-Wandler
• Ergebnisse Schallfeldmessungen SH-Wellen-Wandler
• Fehlerprüfung an Rohr-Austenitnaht mit SH-Wellen-Wandler
• Fehlerprüfung an nichtmagnetischem Rohr (10.8 mm x 0.8 mm)

Hintergrund

Die EMUS-Technik ist in den letzten Jahren als wichtige Ergänzung zur Piezo-Ultraschall-Technik weiterentwickelt worden. Die Entwicklung von Lösungsansätzen im Labor bei neuen Prüfaufgaben mit elektromagnetisch erzeugtem Ultraschall gestaltet sich jedoch in der Regel wesentlich schwieriger als bei Verwendung der Piezo-Technik.

Bei der Applikation an Prüfproblemen mit der Piezo-Technik geht man in der Regel wie folgt vor. Unter Verwendung eines geeigneten handelsüblichen Ultraschallgeräts und mit von einer Vielzahl von Herstellern angebotenen Standard-Piezo-Prüfköpfen grenzt man die Randbedingungen der Prüfaufgabe wie Prüffrequenz, Fokusierung, Schwingergröße, Einschallwinkel, Wellenmode etc. ein. Ist dann der Lösungsweg vorgezeichnet, läßt man sich den für die Prüfaufgabe am besten geeigneten Prüfkopf von einem Prüfkopfhersteller anfertigen.

Bei Verwendung der EMUS-Technik ist diese Vorgehensweise in der Regel nicht möglich. Zum einen gibt es nur ganz wenige kommerzielle Anbieter von EMUS-Wandlern und -Prüfelektroniken, zum anderen gibt es so etwas wie einen Standard-EMUS-Wandler nicht. Vor allem die großen Signal-Verluste beim Abheben vom Prüfling sowie die Schwankungen des Wirkungsgrades beim Umsetzen von elektromagnetischer in mechanische Energie in Abhängigkeit von der Materialzahl des Prüflings machen Untersuchungen mit nicht prüflingsspezifisch ausgelegten Wandlern oft aussichtslos.

Entwicklung

Um die EMUS-Technik in unserem Hause bei der Lösung von ZfP-Problemen effektiv einsetzen zu können, haben wir in den vergangenen 18 Monaten den Versuch unternommen, eine eigene EMUS-Wandler-Familie zu entwickeln. Die Anforderungen an die Entwicklung waren :
• Verfügbarkeit der wichtigsten Wellenmoden wie SV-,SH-,Rayleigh/Lamb-Wellen in weiten Winkelbereichen
• Phased-Array-Technik, d.h. Ansteuerung mehrerer Sende- und Empfangselemente als Gruppenstrahlersystem
• Prüffrequenzen zwischen 1 MHz und 2.5 MHz
• Wandler-Gehäuseabmessungen vergleichbar mit konventioneller Piezo-Technik
• Einfache, kostengünstige und in hohem Maße reproduzierbare Fertigung, insbesondere bei an Prüflingsgeometrien angepaß- ten Wandlern
• Anwendbarkeit bei magnetischen wie auch bei nichtmagneti- schen Prüflingen
• Hoher Stand der Qualitätssicherung durch Fertigung nach einem Baukastensystem, d.h. Aufbau der verschiedenen Wand- lertypen aus möglichst wenigen, einfach herzustellenden Einzelkomponenten.

Abbildung 1 Zuleitungen zu den Vorverstärkern bzw. zu den Senderendstufen Lötaufsatz mit Abgleichkondensatoren Permanentmagnet und Spulenaufnehmer aus Plexiglas Permanentmagnet und Spulensystem

Anhand der Abbildung 1 wollen wir den prinzipiellen Aufbau unserer Wandler erläutern. Ein EMUS-Wandler besteht aus den folgenden Einzelkomponenten:

• Gehäuse ( in der Abbildung nicht gezeichnet )
• Lötaufsatz mit Abgleichkondensatoren
• Plexiglas-Aufnehmer für Spulen und Permanentmagnete
• Permanentmagnete
• Ferrit-Spulenkerne mit Spulenwicklung
• Keramik-Schutzschicht (Dicke je nach Einsatzgebiet)



Aus diesen Einzelkomponenten fertigen wir derzeit 4 verschiedene Standard-Wandlertypen für den Einsatz auf ebenen oder wenig gekrümmten Bauteilen. Die Einsatzbereiche als Funktion der Erregerfrequenz und des Einschallwinkels zeigt die Abbildung 2. Die Wandler arbeiten alle im Frequenzbereich zwischen 1.0 MHz und 2.5 MHz. Unsere Standard-Wandler fertigen wir mit bis zu 6 Sende- und 6 Empfangselementen in Gehäuseabmessungen 40 mm x 40 mm x 30 mm (ohne Vorverstärker), wobei der Sende- und der Empfangswandler stets voneinander räumlich getrennt aufgebaut wird. Der Aufbau von Sende- und Empfangswandler unterscheidet sich lediglich in der verwendeten Spulendrahtdicke und der Kapazität der Abgleichkondensatoren.

Je nach Anwendungsfall ordnen wir den Sende- und Empfangswandler parallel nebeneinander ( z. B. bei Wanddickenmessungen ), parallel hintereinander ( z.B. bei Verwendung in ADEPT-Anordnung ) oder nebeneinander in einem definierten Winkel in der Auflageebene ( z.B. zur Tiefenfokusierung ) an. [UT Encyclopedia: ADEPT]

Abb 3: Nachweis Wanddicke und 3mm Nut als Innen und Außenfehler

Die Anpassung der EMUS-Wandler an gekrümmte Geometrien kann durch ein spezielles Design des Plexiglas-Aufnehmers erreicht werden, d.h. er wird der Prüflingsgeometrie entsprechend exakt angepaßt gefertigt, was mit modernen Fräß- und Säge-Techniken mit hoher Präzission leicht möglich ist. Die Anpassung der im Lieferzustand quaderförmigen Permanentmagnete an gekrümmte Geometrien ist durch einfaches Anschleifen zu erreichen. Bisher sind Wandler mit Anpassungen an Radien mit bis zu 5.4 mm gefertigt worden.

Ergebnisse
Wanddickenbestimmung und Fehlerprüfung mit SV-Wellen-Wandler

Als erstes Anwendungsbeispiel zeigt die Abbildung 3 die Einsatzmöglichkeiten eines SV-Wandlers mit einer Spurwellenlänge von 3 mm und je 4 Sende- und Empfangselementen in Gruppenstrahlerbetrieb. Die aktive Wandlerfläche beträgt je Sender und Empfänger 10 mm x 33 mm. Durch geeignete Wahl der Erregerfrequenzen und der Delayzeiten läßt sich mit dem gleichen Wandler eine Wanddickenmessung, eine 45°-Fehlerprüfung sowie eine 90°-Oberflächen-Fehlerprüfung mit einer Rayleighwelle durchführen.

Abb 4: Nachweis Wanddicke aus n-ter Rückwand mit 2.5 MHz an einer 8 mm Aluminiumplatte

Abbildung 5

Die Abbildung 4 zeigt das Ergebnis einer Wanddickenmessung an einer 8 mm dicken Aluminiumplatte mit dem gleichen SV -Wandler. Man erhält dabei in der Praxis weit über 50 Rückwandechos. Aufgrund prüfelektronik-bedingter Einschränkungen kann man bei dieser Wandstärke erst ab etwa dem zwanzigten Rückwandecho eine Wanddickenbestimmung ableiten. Die Erregerfrequenz beträgt bei dieser Anwendung 2.5 MHz.

Das Ergebnis einer Labor-Untersuchung für eine andere Aufgabenstellung zeigt die Abbildung 5. Gefordert ist eine koppelmittelfreie Dimensionsbestimmung mit Ultraschall an einem 8 mm dünnen Aluminiumblech in einer der beiden Querrichtungen ( entweder Länge- oder Breite des Bleches ), wobei nur die 8 mm breite Stirnfläche des Bleches als Einkoppelfläche für einen EMUS-Wandler zur Verfügung steht. Dazu wurde ein Wandler mit je einem Sende- und einem Empfangselement gebaut mit einer aktiven Wandlerfläche von insgesamt 8 mm x 20 mm. Vermessen wurde ein 8 mm dickes und 320 mm breites Testblech. Bestimmt wurde die Breite. Der EMUS-Wandler erzeugt eine linear polarisierte 2.5 MHz 0°-Transversalwelle, die Polarisierungsrichtung ist dabei senkrecht zur Dicke des Bleches und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

Man erkennt in der Abbildung unten die gleichgerichtete Echofolge der ersten 23 Reflexions-Echos von der prüfkopffernen Blechbegrenzungsfläche. Rechts oben ist die HF-Darstellung des 23. Echos in zeitgespreizter Form dargestellt. Damit ist hochgerechnet auch noch ein ca. 7 m breites Blech mit dem benutzen EMUS-Wandler in seiner Breite mit ausreichendem Signal/Rauschverhältnis noch vermeßbar.

Ergebnisse Schallfeldmessungen SH-Wellen-Wandler

Die Abbildung 6 zeigt die Schallfeldcharakteristiken parallel zur Einschallebene eines SH-Wellenwandlers mit einer Spurwellenlänge 2 mm und je 4 Sende- und Empfangselementen. Die aktive Wandlerfläche beträgt je Sender und Empfänger 10 mm x 30 mm. Der Soll-Einschallwinkel ist dabei durch geeignete Wahl der Erregerfrequenzen und der Delayzeiten auf 60°, 70° und 90° eingestellt.

	Abb 6: Schallfeldverlauf SH-Welle in Einschallebene	Abb 7: Schallfeldverlauf SH-Welle senkrecht zu Einschallebene
Einschallwinkel 60° Frequenz 1.73 MHz
Einschallwinkel 70° Frequenz 1.70 MHz
Einschallwinkel 90° Frequenz 1.158 MHz

Die Abbildung 7 zeigt die entsprechenden Schallfeldcharakteristiken bei den Soll-Einschallwinkeln senkrecht zur Einschallebene.

Fehlerprüfung an Rohr-Austenitnaht mit SH-Wellen-Wandler

Als weiteres Anwendungsbeispiel zeigt die Abbildung 8 eine Fehlerprüfung an einer Austenitnaht ( Übergang der Werkstoffzahlen 1.4550/1.4551/1.4550 ) in einem Druckrohr von einer Steuerstabantriebseinheit im Kraftwerksbereich. Der betreffende Rohrabschnitt hat einen Durchmesser von 55 mm und eine Wanddicke von etwa 6 mm. Der eingesetzte Wandler mußte daher in an den Rohrdurchmesser angepaßter Ausführung gefertigt werden. Sende- und Empfangswandler sind mit je 6 Gruppenstrahlerelementen auslegt und werden in Richtung Rohrlängsachse hintereinander ( ADEPT-Technik ) angeordnet betrieben. Die aktive Wandlerfläche beträgt je Sender und Empfänger 10 mm x 40 mm. Als Testfehler sind Nuten in Längsfehlerorientierung von 1 mm Tiefe, 5 mm Länge ( in Schweißnahtlängs-richtung ) und 0.4 mm Breite jeweils aus Sicht des Wandlers vor, mittig und hinter der Austenitnaht eingebracht. Der EMUS-Wandler wurde mit einem Solleinschallwinkel von 78° und einer Erregerfrequenz von 1.58 MHz betrieben.

Die Abbildung 9 zeigt die erhaltenen A-Bilder der Testfehlerreflexionen im Vergleich zu einem A-Bild in einem Bereich der Naht ohne Testfehler. Der Fehlererwartungsbereich liegt zwischen 42 µs und 52 µs Signal-Laufzeit. Der Testfehler vor der Naht wird mit einem Signal/Rauschverhältnis von 15 dB nachgewiesen, der mittig der Naht mit 14 dB sowie der hinter der Naht mit 13 dB.

Abbildung 11

Eine weitere Anwendung eines an einen Rohrradius angepaßten EMUS-Wandler zeigt die Abbildung 10. Es handelt sich dabei um eine Fehlerprüfung an nichtmagnetischen dünnwandigen Rohren ( Zr.- legiert ) mit Durchmessern von ca. 10.8 mm und Wanddicken von ca. 0.8 mm. Der Wandler besteht aus je 4 Sende- und 4 Empfangselementen in ADEPT-Anordnung und erzeugt eine geführte 1.3 MHz -SH-Welle mit 70° Einschallwinkel. Die aktive Wandlerfläche beträgt je Sender und Empfänger 10 mm x 30 mm. Die Polarisationsrichtung liegt also in Umfangsrichtung und senkrecht zur Rohrlängsachse. Links unten ist das ungestörte Reflexionsecho an dem Ende eines untersuchten Rohres dargestellt. Der Wandler war dabei ca. 170 mm von dem Rohrende entfernt.

In der Abbildung rechts unten wird die entsprechende Messung für ein vergleichbares Rohr mit einem 38 mm vor dem Rohrende eingebrachten Testfehler (ca. 80% Wanddickenabtrag auf ca. 20% Rohrumfang ) dargestellt. Der Testfehler ist mit über 12 dB Stör/Nutzabstand nachweisbar.

Abbildung 11

Fehlerprüfung an nichtmagnetischem Rohr (10.8 mm x 0.8 mm)

Die Abbildung 11 zeigt eine Applikation zur Längsfehlerprüfung in dem eben betrachteten Rohrtyp. Der EMUS-Wandler besteht aus je einem Sende- und Empfangselement, die 180° in Rohrumfang versetzt angeordnet sind. Die aktive Wandlerfläche beträgt je 10 mm x 7.5 mm. Es wird dabei eine SH-Welle mit 1.0 MHz erzeugt, die Polarisationsrichtung liegt parallel zur Rohrlängsachse. Links unten ist die HF-Darstellung für ein fehlerfreies Testrohr aufgezeigt. Man erkennt über 20 eindeutig zeitlich aufgelöste Umlauf-Signale, die den Empfänger erreichen. Rechts unten zeigt die entsprechende Darstellung an einem Rohr mit einer eingebrachten 1 mm Durchbohrung. Ab dem 4 Umlauf ist keine eindeutige zeitliche Auflösung der Umlauf-Signale mehr zu erkennen. Somit ist eine mit der Umlaufanzahl an Nachweis-Empfindlichkeit steigende eindeutige Fehlerbewertung der Durchbohrung mit 1 mm Durchmesser gegeben.

R.Meier
born 1947, studied Mechanical Engineering as well as Electrical Engineering. 20 years experience in automation and computerization of UT and ET examination. Special knowledge in the use of stochastic methods for signal improvement, Neural Networks for defect recognition, EMAT probes and EMAT applications and in the examination of small laserwelds using extremely focused piecoelectric probes. Working at Siemens in the NDT-field since 1978. Presently responsible for the development and exploitation of innovative NDE-products and -services.
Siemens AG - Power Generation Group - KWU NP
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