Einführung

Die Durchführung von Phased-Array-Prüfungen an Prüfteilen und Komponenten mit heißer Oberfläche stellen gewisse Herausforderungen dar. Piezoelektrische Elemente und interne Verbindungen in typischen Phased-Array-Sensoren sind hitzeempfindlich und können durch hohe Temperaturen beschädigt werden. Um dieses Problem zu begrenzen, hat Olympus ein neues Hilfsmittel entwickelt, mit dem manuelle Phased-Array-Prüfungen bei Temperaturen bis zu 150 °C durchgeführt werden können.

Herausforderungen

Mit zunehmender Temperatur können die piezoelektrischen Elemente der Phased-Array-Sensoren mit ihren elektrischen Verbindungen beschädigt werden. Unser Prüfbeispiel zeigt, dass typische Phased-Array-Sensoren komplett versagen, wenn eine Temperatur von 80 °C erreicht wird. Für einen sicheren Einsatz sollten die Sensoren eine Temperatur von 60 °C nicht übersteigen.

Bei der Entwicklung eines Vorlaufkeils sollten Isolierung, Wärmeableitung und Abkühlung berücksichtigt werden, um extreme Hitze von den Sensorelementen fernzuhalten. Auch das Sensorkabel muss vor der heißen Komponente geschützt werden.

Die Schallgeschwindigkeit im Vorlaufkeil und in den Komponenten variiert mit der Temperatur. Dies kann die Berechnungen der Sendemodulierung und den Schallaustrittspunkt beeinträchtigen, was zu fehlerhaften Positionierungen bei der Lokalisierung von Fehlern führt. Ultraschallsignalabschwächung und Frequenzverschiebung müssen ebenso berücksichtigt werden.

Lösung

Olympus hat eine neue Vorlaufkeil-Serie für Prüfungen von Komponenten mit heißen Oberflächen bis zu 150 °C entwickelt. Um die Effizienz dieser Vorlaufkeile zu charakterisieren und zu beurteilen, wurden Laborprüfungen mittels eines konfigurierten OmniScan MX2 Prüfgeräts durchgeführt, um eine sektorielle Prüfung von 40° bis 70° mit Transversalwellen durchzuführen, was typisch für eine Schweißnahtprüfung mit Phased-Array-Sensoren ist.

Die Vorlaufkeile bestehen aus einem amorphen thermoplastischen Polyetherimid, namens ULTEM. Dieses Material weist eine hohe Hitzebeständigkeit, Festigkeit und Steifigkeit auf, aufgrund seiner beinah 200 °C hohen Glasübergangstemperatur.

Zwei Vorlaufkeil-Modelle wurden für diese spezifische Anwendung entwickelt. Beide Vorlaufkeile (SA31C-ULT-N55S-IHC und SA32C-ULT-N55S-IHC) sind derzeit erhältlich. Diese Vorlaufkeile besitzen Montagebohrungen zur Befestigung des Mini-Wheel Weggebers von Olympus für codierte Prüfungen. Dank des relativ einfachen Herstellungsverfahrens könnten auch andere Olympus Vorlaufkeil-Serien aus ULTEM Material hergestellt werden. Da jedoch auch die Wärmeableitung von der Geometrie des Vorlaufkeils abhängig ist, sollte die Herstellung äußerst sorgfältig erfolgen und Nutzer sollten für Ihre Anfrage einen Olympus Vertreter kontaktieren.

Ein Olympus Sensor an einem ULTEM Vorlaufkeil.

Laborprüfungen wurden an Komponenten durchgeführt, die auf bis zu 150 °C erhitzt wurden. Das OmniScan MX2 Prüfgerät wurde für eine typische sektorielle Prüfung von 40° bis 70° mit Transversalwellen mit einer Auflösung von einem Grad eingesetzt. Glyzerin wurde zur Ankopplung des Sensors an den Vorlaufkeil verwendet, und ein Koppelmittel für hohe Temperaturen wurde zur Ankopplung des Vorlaufkeils an die Komponente verwendet.

Bestell- und Teilenummern für Geräte zur Prüfung bei hohen Temperaturen:

Hinweis: Die oben aufgelisteten anwendungsspezifischen PA-Vorlaufkeile wurden für spezifische Anwendungen entwickelt. Sollten die Anwendungseinstellungen erheblich von den Anforderungen abweichen, sind diese Vorlaufkeile möglicherweise nicht mehr geeignet und Veränderungen am Design werden empfohlen. Für zusätzliche Informationen kontaktieren Sie eto@olympus-ossa.com.

*Typische Ultraschallprüfungen und Dickenmessungen verwenden dünne Koppelmittelfilme in offenen Arbeitsumgebungen, wo der kleine Anteil an entstandenem Gas schnell entweichen kann. Besteht jedoch das Risiko einer Selbstentzündung des Gases, sollte dieses Koppelmittel ab der Selbstentzündungstemperatur nicht mehr verwendet werden.  

Ergebnisse

Sensoren mit verschiedenen Frequenzen wurden zur Beurteilung der Mittenfrequenzabweichung, verursacht durch die Verwendung von ULTEM Material, geprüft. Bei Raumtemperatur blieb die Mittenfrequenz von Sensoren mit 2,25 MHz gleich, aber die Mittenfrequenz von Sensoren mit 5 MHz sank auf 4 MHz. Die größte Mittenfrequenzabweichung trat bei Sensoren mit 7,5 MHz auf, wobei sie bis auf 5 MHz sank. Folglich sollten Sensoren mit Frequenzen über 5 MHz nicht mit ULTEM Vorlaufkeilen verwendet werden. Die Prüfung von Sensoren mit 5 MHz an einer Oberfläche von 150 °C zeigte eine verringerte Mittelfrequenz von 3 MHz.

Während die isolierenden Eigenschaften von ULTEM den Sensor vorm Überhitzen schützen, ist die Wärmeableitung auch wichtig, um eine längere Prüfzeit zu ermöglichen. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C kann der Vorlaufkeil mit einer Oberfläche von 150 °C für maximal 10 Minuten in Kontakt bleiben. Es dauert zusätzlich 10 Minuten, bis sich der Sensor und der Vorlaufkeil abgekühlt haben. Nach dieser Zeit wurden keine strukturellen Schäden an Vorlaufkeilen oder Sensoren beobachtet.

Es gab keine große Ultraschallsignalabschwächung als das Prüfteil eine Temperatur von 150 °C erreichte, insofern die Ankopplung zwischen Vorlaufkeil und Prüfteil beibehalten wurde. Nutzer müssen ein zuverlässiges Ankoppeln sicherstellen. Mit einem Sensor von 5 MHz in Verbindung mit ULTEM Vorlaufkeilen wurde eine Signalabschwächung von 4 dB beobachtet, was allgemein als akzeptabel gilt.

Bei ansteigender Temperatur von 24 °C auf 150 °C fiel die Schallgeschwindigkeit vom ULTEM Vorlaufkeilmaterial von 2470 m/s auf 2270 m/s, während die Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle in Stahl von 3240 m/s auf 3103 m/s fiel. Folglich haben wir bei der Verwendung von Sendemodulierungen, die anhand Schallgeschwindigkeiten bei Raumtemperatur berechnet wurden, kleine Schallaustrittsbewegungen und ein paar Gradabweichungen des Brechungswinkels beobachtet, als das Prüfteil eine Temperatur von 150 °C annahm. Auch wenn diese Bewegungen/Abweichungen minimal waren, müssen diese Fehler berücksichtigt werden, um Indikationen bei hohen Temperaturen präziser positionieren zu können, je nach Prüfqualifikationsanforderungen. Die Berechnung von Sendemodulierungen anhand bekannter Schallgeschwindigkeiten bei Betriebstemperatur verhinderte diesen Fehler. Um mögliche Fehler aufgrund von Geschwindigkeitsveränderungen noch mehr zu minimieren, hat Olympus den Vorlaufkeil zur Schrägeinschallung entwickelt, um den gezielten nominalen Einschallwinkel in Stahl bei 100 °C mit der ULTEM Geschwindigkeit festgelegt auf 2340 m/s zu erhalten. 

Bei Raumtemperatur wurde die Erkennung mit einer 60°-Transversalwelle mit einer Verstärkung von 45 dB aufgezeichnet.

Die aufgezeichnete Erkennung bei 150 °C erfolgte mit einer 63°-Transversalwelle mit einer Verstärkung von 49 dB und einem Schallweg von 33,6 mm.

Wichtiger Hinweis:

Um die Formbeständigkeit des Sensors und der Vorlaufkeile sicherzustellen, sollten die Geräte nicht länger als 10 Minuten ohne Unterbrechung und erst nach einer Abkühlzeit von mindestens 10 Minuten erneut eingesetzt werden. Diese Zeitbegrenzung ist basierend auf einer maximalen Umgebungstemperatur von 25 °C festgelegt. Bediener müssen die eigene Einsatzdauer nach ihren Arbeitsbedingungen sorgfältig festlegen, falls die Umgebungstemperatur mehr als 25 °C beträgt.

Zusammenfassung

Olympus Vorlaufkeile für hohe Temperaturen ermöglichen eine einfache und kostengünstige manuelle codierte Phased-Array-Prüfung von Komponenten mit heißen Oberflächen bis zu 150 °C, solange Bediener die maximale Sensorfrequenz von 5 MHz, die geringe negative Frequenzabweichung, die geringe Signalabschwächung und die geringe positive Veränderung des Brechungswinkels berücksichtigen.