Optimierung und Nachweis der Ultraschallprüfbarkeit von akustisch anisotropen Werkstoffen an austenitischen Schweiss- und Mischverbindungen

Abstract

Schweißnähte in austenitischen Stählen sowie in Mischschweißverbindungen gehören für die Qualitätsprüfung mit Ultraschall traditionell zu „schwerprüfbaren“ Materialien. Während des Erstarrungsprozesses bildet sich in diesen Schweißnähten eine ausgeprägte dendritische Gefügestruktur, die gleichzeitig grobkörnig, anisotrop und inhomogen ist. Die Zuverlässigkeit von konventionellen Ultraschallprüfverfahren an austenitischen Schweißnähten hängt sehr stark von den ausgewählten Prüfparametern und der Erfahrung des Prüfers ab. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Ultraschallprüftechnik entwickelt, die den Fehlernachweis und -bewertung speziell in austenitischen Schweiß- und Mischschweißverbindungen mit quantitativen Aussagen zu Fehlergröße, -Art, und -Lage in akustisch anisotropen inhomogenen Werkstoffen ermöglicht. Das der Prüftechnik zugrunde liegende Prinzip der synthetischen Fokussierung mit Berücksichtigung der Materialanisotropie und –inhomogenität in Kombination mit zwei- und dreidimensionaler Darstellung der Ergebnisse gewährleistet eine quantitative und zuverlässige Bewertung von Materialfehlern in akustisch anisotropen inhomogenen Prüfobjekten. Unter anderem wurde in der vorliegenden Dissertation ein iterativer Algorithmus für Bestimmung von unbekannten elastischen Eigenschaften eines inhomogenen anisotropen Werkstoffs entwickelt. Er ermöglicht den Einsatz der entwickelten Prüftechnik in der Praxis, da die Anisotropie von meisten (insbesondere von handgeschweißten) Schweißverbindungen in der Regel unbekannt ist. Die Funktionalität der entwickelten Prüftechnik wurde durch mehrere Prüfexperimente an geschweißten austenitischen Testkörpern mit künstlichen und realen Materialungänzen validiert. Für den Einsatz des neuen Verfahrens in der Prüfpraxis werden verschiedene Prüfstrategien vorgeschlagen, die je nach aktueller Prüfaufgabe verwendet werden können.

Austenitic and dissimilar welds with respect to the ultrasonic testing (UT) methods are considered normally as "difficult-to-test" objects. During the solidification process in such welds a distinct dendrite microstructure evolves, which is coarse-grained, anisotropic and inhomogeneous simultaneously. The reliability of available ultrasonic methods on austenitic welds depends significantly on the selected UT-parameters as well as on the inspection personnel experience. In the present dissertation, an ultrasonic testing method was developed, which allows the flaw detection and evaluation in acoustically anisotropic inhomogeneous materials, especially in austenitic and dissimilar welds with a quantitative statement to the defect size, type, and location. The principle of synthetic focusing with taking into account the material anisotropy and inhomogeneity along with two- and three-dimensional visualization provides a reliable and quantitative assessment of the inspection results in acoustically anisotropic inhomogeneous test objects. Among others, an iterative algorithm for the determination of unknown elastic properties of inhomogeneous anisotropic materials has been developed. It allows practical application of the developed UT method, since the anisotropy of most of austenitic and dissimilar welds (especially of hand-welded joints) in practice is usually unknown. The functionality of the developed inspection technique has been validated by many experiments on welded austenitic specimens having artificial and natural defects. For the practical application of the new ultrasonic technique different testing strategies are proposed, which can be used depending on the current inspection task.