Dual Matrix Array Sensoren für die Schweißnahtprüfung bei schallstreuenden Materialien

Zusammenfassung

Ungleiche Metallschweißnähte und andere schallstreuende Materialien können mit Sender-Empfänger-Prüfköpfen für Longitudinalwellen mit konventionellem Ultraschall geprüft werden. Eine verbesserte Prüfmethode verwendet Dual Matrix Array (DMA) Sensoren von Olympus und Phased-Array-Ultraschall, die die elektronische Streuung, Ausrichtung und Fokussierung von Schallbündeln im Material ermöglichen.

Herausforderungen

Ungleiche und austenitische Schweißnähte sind schwierig mit Ultraschall zu prüfen. Prüfungen stellen insbesondere eine Herausforderung dar, wenn sie nur an einer Seite der Schweißnaht durchgeführt werden müssen, da das Schallbündel aufgrund der Anisotropie des Schweißmaterials gestreut wird.

Für die Prüfung dieser Schweißmaterialien werden normalerweise Sender-Empfänger-Prüfköpfe für Longitudinalwellen mit einem Sender und einem Empfänger, die durch eine akustische Isolierung voneinander getrennt sind, eingesetzt. Diese Prüfköpfe erzeugen mit einer Konfiguration aus Schiel- und Dachwinkeln einen Fokuspunkt im Prüfteil, das eine Pseudo-Fokussierung hervorruft. Sender-Empfänger-Prüfköpfe für Longitudinalwellen eignen sich dazu, da sie das Ankoppelecho eliminieren, keine toten Zonen durch die Vorlaufkeilechos haben, zurückgestreute Signale reduzieren und den Einsatz einer höheren Verstärkung erlauben.

Der Nachteil dieser Prüfköpfe ist der festgelegte Einschallwinkel und Pseudo-Fokuspunkt. Für die Prüfung können mehrere dieser Prüfköpfe erforderlich sein, um verschiedene benötigte Konfigurationen abzudecken.

Lösungen

DMA-Sensoren von Olympus, in Verbindung mit dem Prüfgerät OmniScan oder FOCUS PX, verwenden Phased-Array-Ultraschall (keinen konventionellen Ultraschall) für einen erweiterten Prüfbereich und eine verbesserte Bewertung von grob körnigen austenitischen und Inconel Legierungsmaterialien und Schweißnähten. DMA-Sensoren kombinieren die Vorteile des mit fokussierter Longitudinalwelle erstellten S-Bildes und die Prüfmethoden mit Longitudinalwellen in Sender-Empfänger-Konfiguration.

Die hier vorgestellte Prüfmethode mit DMA-Sensor verwendet zwei Standard-Sensoren, einen mit 2,25 MHz und einen mit 4 MHz, die eine gebrauchsfertige Prüffähigkeit für einen großen Bereich austenitischer Materialien und Fasen der Schweißnaht, inkl. Schweißnähte aus ungleichen Metallen und korrosionsbeständigen Legierungen (CRA) bieten.

Gerätebeschreibung

Prüfergebnisse

Bei der Prüfung des Inconel-Prüfteils wurde der A17 Sensor eingesetzt, um eine EDM-Kerbe von 2 mm in einer Schweißnaht aus einer korrosionsbeständigen Inconel-Legierung mit einer Dicke von 25 mm durch die Beschichtungsschicht zu erkennen. Mit den Cursors auf dem Prüfgerät OmniScan wurde die Länge der Kerbe im C-Bild und die Tiefe sowie die Höhe im A-Bild und S-Bild gemessen. Die Delta und Trigonometrie der Cursors werden auf dem oberen Bildschirmrand des Prüfgeräts OmniScan angezeigt und direkt in einer Fehlertabelle aufgezeichnet.

Den einzigen Vorteil des A17 Sensors bot seine Fähigkeit der Schallbündelausrichtung abseits der Achsen, wobei die Schallbündelsteuerung in anderen Winkeln, als direkt vor dem Sensor, erfolgen konnte. Dies war nur mit dem A17 Sensor möglich, da er eine ausreichende Anzahl Elemente (vier) pro vertikaler Reihe besitzt. (Die Schallbündelausrichtung abseits der Achsen ist mit dem A27 DMA-Sensor nicht möglich, da er nur zwei Elemente pro vertikaler Reihe besitzt.)

Der Hauptzweck der Schallbündelsteuerung abseits der Achsen ist die Erkennung und Messung intergranularer Spannungsrisskorrosion in Achs- und Umfangsrichtung bei Rohrschweißnähten aus austenitischen Materialien. Die Schallbündelausrichtung abseits der Achsen wird durch die Anzahl Elemente pro vertikaler Achse, der Größe sowie der Frequenz der Elemente im Sensor bestimmt. Obwohl der A17 Sensor für die Schallbündelausrichtung abseits der Achsen in 45° mit einem flachen Vorlaufkeil einsetzbar ist, verringert sich die Schallbündelausrichtung bei Einsatz von AOD-Vorlaufkeilen und wenn der axiale Rohraußendurchmesser (AOD) reduziert wird.

Der A27 DMA-Sensor wurde für die Prüfung von Volumen und Oberfläche bei zusätzlichen Inconel Schweißnähten eingesetzt. (Die Oberflächenprüfung bezieht sich auf die Erkennung, Größenbestimmung und Charakterisierung von flachen Schweißnahtfehlern oder Fehlern auf der Außenoberfläche der Schweißnaht.) Die kleine Elementkonfiguration des A27 Sensors mit 4 MHz eignete sich für dünnere, weniger schallschwächende Materialien dieser Proben. Ein Vorlaufkeil DN55L oder DNCR kann verwendet werden. Für diese Anwendung wurde der Vorlaufkeil DNCR ausgewählt, da er vielseitiger einsetzbar für die Prüfung von Volumen und Oberfläche ist. Das Design des Vorlaufkeils DNCR wurde für Oberflächenprüfungen optimiert, mit Fasen der Schweißnaht dünner als 25 mm. Die Oberflächenprüfung ergänzte die Volumenprüfung und ermöglichte so eine vollständige Prüfung der gesamte Fase der Schweißnaht.

Für die Volumenprüfung mit dem Sensor A27 und dem Vorlaufkeil DNCR wurde eine korrosionsresistente Schweißnaht unter Verwendung eines S-Scans von 30°-80° geprüft, der durch einen 30-mm-Schallweg fokussiert wurde. Die Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung in der Schweißnaht aus einer Inconel-Legierung 625 beträgt 5830 m/s und die Geschwindigkeit in dem Kohlenstoffstahl-Basismaterial beträgt 5890 m/s. Dieser Geschwindigkeitsunterschied verursachte eine geringe Änderung des Schallbündelwinkels am Schweißnahtübergang. Die Tiefe und Höhe der aufgezeichneten Genauigkeit war abhängig von der genauen Festlegung der Schallgeschwindigkeit im Basismaterial und in der Schweißnaht.

Für die Oberflächenprüfung war der Sensor A27 auf eine Prüfung mit hohem Winkel der ersten Umlenkung beschränkt. Der Sensor A27 wurde unter Verwendung eines S-Scans mit hohem Winkel von ungefähr 70°-85° mit einem flachen oder kurzen Fokus konfiguriert. Oberhalb von etwa 70°-75° wurden alle A-Scan-Schallbündel im Wesentlichen parallel zur Oberfläche mit einer longitudinalen Geschwindigkeit in Längsrichtung eingeschallt. Dies ermöglichte die Erkennung eines flachen KSR-, Kerb- oder Schweißnahtfehlers auf ähnliche Weise. Die Oberflächenprüfergebnisse haben sich nicht mit der Form der Schweißnahtüberhöhung geändert.

Fazit

Standard Dual Matrix Array Sensoren von Olympus mit 2,25 MHz (A17) und 4 MHz (A27) können die Prüffähigkeiten eines OmniScan oder Focus PX Geräts für austenitische und Inconel-Legierungen und Schweißnähte verbessern.

Die 4 × 7 Elementkonfiguration des Sensors A17 eignet sich für dickere und sehr schallschwächende austenitische Materialien. Die 2 × 16 Elementkonfiguration des Sensors A27 eignet sich für dünnere und weniger schallschwächende austenitische Materialien.

Mit dem OmniScan Gerät kompatible DMA-Sensoren sind ein zusätzliches Phased-Array-Prüfhilfsmittel für Prüfer mit und ohne Erfahrung.

In der Schweißnahtprobe aus einer Inconel-Legierung 625 erfasste der Sensor A27 mit dem Vorlaufkeil DNCR eine EDM-Oberflächenkerbe mit einer Tiefe von 1 mm und einer Länge von 10 mm in einem Abstand von mehr als 20 mm von der Vorlaufkeilankoppelfläche.