Grundprinzipien der Ultraschallprüfung gelten weiterhin
Zunächst ist es wichtig zu wissen, dass die Total Focusing Method (TFM) den gleichen physikalischen Gesetzen unterliegt wie die konventionelle Ultraschallprüfung (UT) und die Phased-Array-Prüfung (PA). Mit der elektronischen Fokussierung können bei Phased-Array-Prüfungen mehrere Wellengruppen der einzelnen Sensorelemente in einem kleinen Bereich (Fokuspunkt) zusammengeführt werden. Eine solche Konvergenz ist nur innerhalb des Nahfeldes des Phased-Array-Sensors möglich.
Das Ende des Nahfeldes entspricht dem letzten Maximum des Schallfelddrucks entlang der Ausbreitungsachse eines nicht fokussierten Schallbündels. Es wird durch Sensorparameter, wie Elementgröße und Frequenz, sowie die Schallgeschwindigkeit im Material definiert. Bei PA ist das Nahfeld der Bereich, in dem die Fokussierung erfolgt. Außerhalb dieses Bereichs gilt die Prüfung als nicht fokussiert. Die Amplitude des Schallbündels und die Auflösung verschlechtern sich mit der Länge des Schallwegs, genau wie bei konventionellem UT. Für TFM gelten die gleichen Fokussier- und Nahfeldgrenzen, d. h., was für PAUT gilt, gilt auch für TFM.
Berücksichtigung der Sensoreigenschaften und Anpassung der Fokussiermöglichkeiten
Frequenz, Elementgröße und Anzahl der Elemente eines Sensors sind einige der Faktoren, die sich auf die Konfiguration und die Qualität der Prüfung auswirken. Da z. B. die Nahfeldlänge direkt proportional zur Sensorfrequenz und Größe der Apertur ist, kann ein Sensor mit einer höheren Frequenz und einer größeren aktiven Apertur weiter von der Sensorankoppelfläche entfernt fokussieren, wodurch ein größerer fokussierter Bereich und eine verbesserte TFM-Bildgebung erzielt wird. Auf der anderen Seite wird die Auflösung nahe der Oberfläche negativ beeinträchtigt.
Den geeigneten Sensor für TFM-Prüfungen anhand von Versuchen zu bestimmen, ist aufgrund der besagten Variablen unpraktisch. Dies hebt hervor, warum ein Modellierungswerkzeug für eine TFM-Prüfkonfiguration unerlässlich ist.
Die Notwendigkeit von Modellierungswerkzeugen zur Auswahl von Sensoren für die TFM-Prüfung
Das AIM-Modellierungswerkzeug (Acoustic Influence Map) des OmniScan X3 Prüfgeräts unterstützt den Prüfer bei der Prognose der Qualität des resultierenden TFM-Signals. Es zeigt das erwartete Ultraschallsignal an, das mit einer festgelegten Sensor-Vorlaufkeil-Kombination von einem bestimmten Reflektor unter Verwendung eines ausgewählten Wellensatzes erzeugt wird. So können der richtige Sensor und der richtigte Vorlaufkeil für die Prüfung einfacher gewählt werden.
Am besten stellt man sich die AIM-Karte als eine Heatmap vor, die anzeigt, wo das Amplitudensignal am stärksten ist und die Empfindlichkeitsanzeige die maximale Temperatur anzeigt. Es gibt keinen Grenzwert für die „höchste“ Temperatur, im Gegenteil, je höher, desto besser. Mithilfe des Vergleichs der vorhergesagten AIM-Empfindlichkeitsanzeige für einen festgelegten Parametersatz (wie ausgewählten Sensor, Vorlaufkeil, Form und den Winkel des Reflektors, Wellensatz usw.) mit einer anderen AIM-Karte können Sie eine gute Vorstellung davon erhalten, welche Konfiguration sich für die Prüfanforderungen am besten eignet.
AIM: Auswirkung des Sensorabstands auf die Empfindlichkeit bei TFM (Beispiel)
Die folgenden Abbildungen sind AIM-Simulationen, bei denen die Sensorfrequenz (5 MHz) und andere Einstellungen gleich sind, die Elemente jedoch unterschiedlich groß sind, d. h. andere Abstände haben. Dieses Beispiel zeigt, dass mit der Zunahme der Elementgröße entlang der aktiven Achse sich auch die Empfindlichkeitsanzeige erhöht.
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5L64-A32 Sensormodell: 32 × 10 mm gesamte aktive Apertur, 0,5 mm Abstand, 10 mm Höhe, Impuls-Echo-Wellensatz (TT) |
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5L64-A12 Sensormodell: 38,4 × 10 mm gesamte aktive Apertur, 0,60 mm Abstand, 10 mm Höhe, Impuls-Echo-Wellensatz (TT) |
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5L64-NW1 Sensormodell: 64 × 7 mm gesamte aktive Apertur, 1,00 mm Abstand, 7 mm Höhe, Impuls-Echo-Wellensatz (TT) |
AIM: Auswirkung der Sensorfrequenz auf die Empfindlichkeit und Flächendeckung (Beispiel)
Die Sensorfrequenz hat auch Auswirkungen auf die AIM-Simulation und schließlich auf die TFM-Prüfung: je höher die Sensorfrequenz, desto weiter entfernt ist der Übergang vom Nahfeld zum Fernfeld. In den folgenden Beispielen ist zu beachten, dass die Empfindlichkeitsanzeige bei dem höherfrequenten Sensor höher ist und die farbigen Bereiche der AIM-Karte über die gesamte Umlenkung schlüssiger sind. Dies bedeutet, dass die Amplitude und damit die Höhe der Empfindlichkeitsanzeige mit zunehmendem Schallweg weniger variiert.
5L64-A32 Sensormodell: 5 MHz Frequenz, 32 × 10 mm gesamte aktive Apertur, 0,5 mm Abstand, 10 mm Höhe, TT-TT-Wellensatz
Empfindlichkeitsanzeige: 18,68
10L64-A32 Sensormodell: 10 MHz Frequenz, 32 × 10 mm gesamte aktive Apertur, 0,5 mm Abstand, 10 mm Höhe, TT-TT-Wellensatz
Empfindlichkeitsanzeige: 27,38
Zusätzlich zu einem praktischen AIM-Modellierungswerkzeug sollten eine angemessene Vorbereitung und ein guter TFM-Prüfplan immer die Sensoreigenschaften und Machbarkeitstests beinhalten, um sicherzustellen, dass der Prüfbereich ausreichend abgedeckt wird und die Signalqualität gut ist.
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