ISBN 978-3-8439-3940-9

978-3-8439-3940-9, Reihe Ingenieurwissenschaften

Karl Fendt
Ultraschall-Charakterisierung von Defekten - Kombination von Synthetischen Aperturverfahren und Modellbasierter Optimierung

130 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die zerstörungsfreie Ultraschallprüfung von Schmiedeteilen ist ein wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung großer Gas- und Dampfturbinen sowie Generatoren. Zielsetzung der Ultraschallinspektion ist neben der eigentlichen Detektion von sicherheitskritischen Materialfehlern auch eine quantitative Bewertung von gefundenen Fehlstellen. Erst mithilfe ungefährer Kenntnis von Größe, Lage und Form von Defekten können Abschätzungen über nominelle Lebensdauer und erforderliche Serviceintervalle eines Bauteils getroffen werden. Moderne Bildgebungsalgorithmen, wie z. B. die Synthetische Aperturfokussierungstechnik (SAFT), verbessern die Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis von Ultraschallinspektionen. Heutzutage ist ihr Einsatz aufgrund der stetig zunehmenden Rechenleistung von Computern auch bei der Prüfung großer Bauteile möglich. Allerdings fehlt bei der SAFT eine Methode zur quantitativen Bewertung von Defekten, deren Abmessungen im Vergleich zum Auflösungsvermögen des Systems gering sind.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, welches die Charakterisierung derartiger Fehlstellen in den Ultraschallprüfdaten großer Schmiedeteile ermöglicht. Die Identifikation und Lokalisierung von Defekten findet in den SAFT-rekonstruierten Daten statt. An den resultierenden Positionen dienen stark vereinfachte Defektmodelle, wie Kreisscheiben oder Kugeln, als Ausgangspunkt für die eigentliche Bewertung der Fehlstellen. Diese erfolgt mit einem Optimierungsverfahren. Die Parameter der Defektmodelle werden in einer Simulation mithilfe eines iterativ regularisierten Gauss-Newton-Verfahrens modifiziert, bis das Simulationsergebnis möglichst genau den tatsächlichen Messdaten entspricht. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Eignung für lange Schallwege kommt eine elastodynamische Simulationsmethode in Kirchhoff-Näherung zum Einsatz.

Zur Erprobung des Bewertungsverfahrens wurde ein kleiner Prüfkörper aus Stahl mit verschiedenen Referenzdefekten präpariert und mit mehreren Prüfköpfen inspiziert. Die mit der vorgestellten Methode erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Eignung für unterschiedliche Prüffrequenzen und Defektarten gegeben ist. Darüber hinaus werden zwei Senkrechtprüfungen an großen zylindrischen Werkstücken und eine Winkelprüfung mit Transversalwellen ausgewertet, um die Praxistauglichkeit zur Bewertung von Defekten in großen Schmiedeteilen zu demonstrieren.