Phased-Array-Ultraschallprüfung: Ein Tutorial

Jul 23, 2023

Quelle: Getty Images und Birring NTE

Phased Array (PA), im medizinischen Bereich allgemein als Ultraschall bezeichnet, wurde auf industrielle Anwendungen ausgeweitet und ersetzt schnell die herkömmliche Winkelstrahl-Ultraschallprüfung (UT). Während bei herkömmlichen Ultraschallprüfungen Einkristallsonden mit einem festen Strahlwinkel wie 0⁰, 45⁰, 60⁰ und 70⁰ zum Einsatz kommen, streicht die Phased-Array-Prüfung den Strahl über einen Bereich von Winkeln, indem er Zeitverzögerungen an mehreren Kristallen anwendet. Diese Funktion ermöglicht eine vollständige Abdeckung und Inspektion mit einer einzigen Phased-Array-Sonde anstelle mehrerer Festwinkelsonden. Die auf die einzelnen Kristalle angewendeten Zeitverzögerungen werden mathematisch berechnet, um den Strahl zu fokussieren und zu schwenken. Diese werden fokale Gesetze genannt. Die Verwendung einer einzigen PA-Sonde anstelle mehrerer herkömmlicher Sonden ermöglicht die Vereinfachung manueller sowie mechanischer und automatisierter UT-Scanner. Ein weiterer Vorteil der Phased-Array-Ultraschallprüfung gegenüber herkömmlicher Ultraschallprüfung besteht darin, dass die herkömmliche Ultraschalluntersuchung ein zeitbasiertes A-Scan-Signal anzeigt, während die Phased-Array-Ultraschallprüfung ein Sektorbild anzeigt, das den Querschnitt des geprüften Teils darstellt. Das Sektorbild ist viel einfacher zu verstehen und zu interpretieren als ein A-Bild-Signal, das in einer Komponentenzeichnung dargestellt werden muss. Abbildung 1 zeigt die auf einem Stahlblock platzierte Phased-Array-Sonde mit drei seitlichen Bohrlöchern und einer Kerbe. Das entsprechende Bild zeigt eine 1:1-Beziehung der drei Löcher und erleichtert so das Verständnis und die Interpretation für den Techniker. Ähnliche Anzeigen können bei der Prüfung von Schweißnähten und anderen komplexen Geometrien beobachtet werden.

Während PAUT zu einem beliebten Ansatz für zerstörungsfreie Prüfungen wird, ist es wichtig, dass Benutzer diese Technologie, ihre Einschränkungen und ihre Anwendung verstehen.

Abkürzungen für Phased Array: Aktive Apertur, A – Anzahl der aktiven Elemente x Elementgröße; Elementgröße – Größe des Kristalls; F – Brennweite; f - Frequenz in MHz; λ - Wellenlänge; v - Geschwindigkeit; Brennfleckgröße = F λ/A

Sondenauswahl: Die Auswahl der PA-Sonde ist für Phased-Array-Tests sehr wichtig. Die Sondenfrequenz und ihre aktive Apertur bestimmen die Fokussierung des Strahls, die wiederum die Bildauflösung definiert. Sonden mit höherer Frequenz und größerer aktiver Apertur haben einen schärferen Fokus und Bilder mit höherer Auflösung. Somit hat eine 5-MHz-Sonde mit 32 x 1,0 mm eine bessere Auflösung als eine 5-MHz-Sonde mit 32 x 0,6 mm oder eine 2-MHz-Sonde mit 32 x 1,0 mm. Und ein 5-MHz-Objektiv mit 16 x 1,0 mm hat die gleiche Brennfleckgröße wie das 5-MHz-Objektiv mit 32 x 0,5 mm. Beide haben die gleiche aktive Apertur von 16 mm

Instrument: Das Phased-Array-Instrument muss in der Lage sein, alle erforderlichen Elemente der Sonde zu pulsieren. Um eine Sonde mit 32 Elementen vollständig nutzen zu können, muss das Gerät daher mindestens 32:128 haben. Bei Verwendung eines Scanners sollte das Instrument in der Lage sein, Rohdaten zusammen mit den Positionsinformationen vom Encoder zu speichern.

Scannen: Die PAUT-Inspektion kann im manuellen Modus oder mithilfe von Scannern durchgeführt werden. Scanner können manuell, Push-Pull oder motorisiert sein, wie sie in der automatisierten UT verwendet werden. Alle Scanner verfügen über einen Encoder-Ausgang, um Positionsinformationen zusammen mit den Rohdaten zu speichern.

Scan-Abdeckung: Scans sollten eine 100-prozentige Abdeckung des zu prüfenden Volumens zeigen. Abdeckung bedeutet nicht nur, das Volumen mit Schall zu überfluten, sondern auch sicherzustellen, dass der Schall zurück zur Sonde reflektiert wird. Dies ist wichtig, wenn planare Reflektoren wie z. B. mangelnde Fusion zu erwarten sind. Planare Fehler wirken wie Spiegel und reflektieren den Strahl je nach Einfallswinkel.

Kalibrierungsblöcke: Bei der Durchführung von Norminspektionen müssen die Krümmung und Dicke des Kalibrierungsblocks der geltenden Norm entsprechen. Beispielsweise müssen bei der Durchführung von ASME-Rohrleitungsinspektionen gebogene Kalibrierblöcke für Durchmesser von weniger als 20 Zoll mit Kalibrierreflektoren gemäß ASME V, Art. 4 verwendet werden.

Referenzniveau: Dieser Wert bezieht sich auf die Verstärkungseinstellung. Die Verstärkungseinstellung wird gemäß der Spezifikation an Kalibrierungsreflektoren vorgenommen und normalerweise so angepasst, dass eine volle Bildschirmhöhe (FSH) von 80 % erreicht wird. Bei ASME-Inspektionen sollte die Verstärkung nicht nur so eingestellt werden, dass 80 % FSH in einem Winkel erreicht werden, sondern 80 % FSH für alle Winkel im gesamten Schwenkwinkelbereich und im Inspektionsbereich. Wenn der Schwenkwinkelbereich daher 40⁰ bis 65⁰ beträgt, sollte die Kalibrierung 80 % FSH für jeden Winkel gewährleisten und dafür sorgen, dass Reflektoren den gesamten Schallweg abdecken. Dieser Vorgang erfolgt durch Befolgen von Kalibrierungsschritten, die die Verstärkung für jeden Winkel oder jedes Fokusgesetz anpassen. Eine zeitkorrigierte Verstärkung (Time Corrected Gain, TCG) wird angewendet, um die Verstärkung über den Schallwegbereich anzupassen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Phased-Array-UT eine leistungsstarke Technik ist, deren Anwendung jedoch ein umfassendes Verständnis ihrer Verwendung erfordert.

Anmol Birring, „Optimizing Probe Active Aperture for Phased Array Weld Inspections“, Materialbewertung, August 2021, S. 797–801

Anmol Birring vom Birring NDE Center Inc., Houston. Für weitere Informationen senden Sie eine E-Mail an [email protected].