1 Versuchsziel und Anwendung. 2 Grundlagen

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1 Versuch: 1 Versuchsziel und Anwendung Ultraschall Untersuchung verschiedener Proben mittels Ultraschall. Der Oberflächenabstand sowie die flächenhafte Erstreckung der Fehler sind zu ermitteln. Bestimmung der Werkstoffdicke einzelner Proben unter Berücksichtigung der Werkstoffart. 2 Grundlagen Was versteht man unter Ultraschall? Unter Ultraschall werden im Allgemeinen mechanische Schwingungen, die in ihrer Frequenz oberhalb des hörbaren Bereiches liegen verstanden. Als Grenze zwischen hörbarem Schall und Ultraschall wird oft die Frequenz f = 20 khz genannt. Feste Stoffe, insbesondere Metalle, weisen für Ultraschallwellen sehr günstige Ausbreitungsbedingungen auf. Die Ausbreitung der Wellenfronten erfolgt - hinreichend großen Abstand von der Anregungsstelle vorausgesetzt - geradlinig nach den Gesetzen der geometrischen Optik. Die Ultraschallwellen werden mittels elektrischer Wechselspannungen meist in piezoelektrischen Quarzschwingern erzeugt und über geeignete Koppelmittel in das Prüfstück eingeleitet. Die Schwinger sind auf bestimmte Frequenzen abgestimmt und arbeiten in Resonanz. Die Frequenzen sind dem Werkstoff anzupassen und liegen bei Metallen zwischen ca. 0,5 und 15 MHz. Je nach Prüfaufgabe wird die Ultraschallwelle mittels Normalprüfköpfe als Longitudinalwelle senkrecht zur Oberfläche oder mittels sogenannter Winkelprüfköpfe unter einem bestimmten Einschallwinkel zur Oberflächennormalen in das Prüfstück eingeleitet. Bei Schrägschallung in Festkörper ist die Brechung und der Umstand zu beachten, dass neben Longitudinal- auch Transversalwellen oder nur letztere erzeugt werden. Longitudinalwellen haben eine größere Schallgeschwindigkeit als Transversalwellen. Die Schallwellen werden im Prüfstück an Grenzflächen von Medien mit unterschiedlicher Schallgeschwindigkeit, wie sie an Trennungen oder Hohlräumen bzw. der Prüfstückoberfläche vorliegen, reflektiert oder in Zonen anderer Gefügestruktur stärker oder schwächer gedämpft. Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 1 von 5

2 Die reflektierte und/oder geschwächte Schallwelle wird von demselben oder einem anderen Schwinger empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses wird nach geeigneter Verstärkung, meist auf dem Leuchtschirm einer Braunschen-Röhre, über einer Zeitachse gemeinsam mit dem Sendeimpuls dargestellt. Aus der Signalhöhe und der Zeitdifferenz zwischen gesendetem und empfangenem Impuls können Aussagen über Fehlergrößen und ggf. der Reflektionsstelle abgeleitet werden. Im Bereich der technischen Prüfung werden heute fast ausschließlich das Durchschallungs- und das Impuls-Echoverfahren eingesetzt. Andere Verfahren wie z.b. das Resonanzverfahren und das Schallsichtverfahren spielen keine Rolle mehr. Die erstgenannten Verfahren werden in zahlreichen Sonderformen zur mechanisierten und automatisierten Erst- und Wiederholungsprüfung von Halbzeugen und Bauteilen, insbesondere solche mit großer sicherheitstechnischer Bedeutung, eingesetzt. Durchschallungsverfahren Beim Durchschallungsverfahren befinden sich Ultraschallsender und -empfänger an gegenüberliegenden Prüfstückseiten. Dies setzt allseitige Zugänglichkeit voraus. Bei nur einseitiger Zugänglichkeit des Prüfstücks im Prüfbereich können zwei Winkelprüfköpfe mit gleichem Aus- bzw. Eintrittswinkel benutzt werden und die Reflexion an oberflächenparallelen bzw. Reflexion oder Abschattung durch senkrecht zur Oberfläche ausgerichtete Flächen ausgenutzt werden. Dieses Verfahren erfordert stets gleichbleibende und reproduzierbare Ankoppelverhältnisse der Prüfköpfe an das Prüfstück sowie eine präzise Positionierung der Prüfköpfe. Diese Bedingungen lassen sich nur an Bauteilen mit glatten, parallelen oder konzentrischen Oberflächen, wie z.b. Blechen, Rohren bzw. Rohrleitungen und Behältern, bei mechanischer Führung der Prüfköpfe erfüllen. Daher wird die Untersuchung nach dem Durchschallungs-verfahren zur weitgehend automatisierten Dopplungsprüfung an Blechen bzw. Bindefehler-prüfung beschichteter Tafeln oder Bänder (Senkrechtdurchschallung) eingesetzt. Impuls-Echoverfahren Zur Prüfung nach dem Impuls-Echoverfahren können Normalprüfköpfe und Winkelprüfköpfe benutzt werden. Im Gegensatz zum Durchschallungsverfahren ist aber nur ein Prüfkopf und damit nur einseitige Zugänglichkeit des Prüfstücks im Prüfbereich notwendig. Der Prüfkopf wird periodisch wechselnd als Sender- und als Empfängerprüfkopf geschaltet. Die Wiederholfrequenz richtet sich hierbei nach der Schallgeschwindigkeit des Werkstoffs und nach den Prüfstücksabmessungen in Prüfrichtung. Der vom Prüfkopf in das Werkstück gesendete Ultraschallimpuls kann ganz oder teilweise von einer Prüfstückoberfläche, einer Inhomogenität oder einer rechtwinkligen Prüfstückkante entgegen der Einschallrichtung reflektiert werden und im Prüfkopf ein Signal erzeugen. Dieses wird zusammen mit dem Sendesignal über einer in Laufwegeinheiten kalibrierten Zeitbasis dargestellt. Aus dem Signallaufweg ergibt sich direkt der Abstand des Reflektors vom Schalleintrittspunkt an gerechnet und Ersatzfehlergrößen lassen sich aus der Signalamplitude ableiten. Als Referenzsignale dienen Signale von Flächen und Kanten werkstoffgleicher Kontrollkörper bekannter Abmessungen. Für Prüfungen von Prüfstücken aus un- und niedriglegierten Kohlenstoffstählen sind Kontrollkörper in DIN EN und DIN EN ( ) beschrieben. Darüber hinaus spielt es auch bei mechanisierten und automatisierten Prüfungen von hochbeanspruchten Rohrleitungen und Behältern eine große Rolle. Die Tatsache, dass das Impuls- Echoverfahren nur einen Prüfkopf erfordert, hat es zum bevorzugten Ultraschall- Prüfverfahren werden lassen. Dementsprechend wird es zu nahezu allen Handprüfverfahren wie z.b. Dopplungsprüfungen und Wanddickenmessungen an Blechen, Längs- und Querfehlerprüfung in Rohren und Rohrleitungs- bzw. Behälterschweißnähten etc. eingesetzt. Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 2 von 5

3 3 Versuchsaufbau Ultraschallprüfgerät verschiedene Prüfköpfe Justierkörper Kopplungs- und Reinigungsmittel Test- und Prüfstücke 4 Versuchsdurchführung Für die Untersuchungen stehen Ultraschallprüfgeräte mit den verschiedensten Prüfköpfen, je nach Prüfaufgabe, zur Verfügung. Zum Ankoppeln an die zu prüfenden Objekte wird ein Kopplungsmittel aufgetragen. Die Prüffrequenzen liegen bei Al- und Fe-Legierungen zwischen 2 und 8 MHz, bei Cu-Legierungen und Gusseisenwerkstoffen zwischen 0,2 und 2 MHz. Vor jeder Messreihe wird für einen artgleichen Körper definierter Abmessungen die Dauer und Folge der Impulse, die Helligkeit und Schärfe der Bildschirmanzeige sowie die Signalverstärkung eingestellt. Ferner wird über die Messung der Laufzeit zwischen Eingangsund Rückwandecho für die vorliegende Schallgeschwindigkeit eine Wegeichung der Anzeige vorgenommen. Während der Prüfkopfbewegung auf der Werkstückoberfläche werden die auf dem Bildschirm auftretenden Signale beobachtet, identifiziert und die Entfernung zur Oberfläche festgestellt. Auf Grund der Veränderung der Höhe der Echosignale lassen sich Angaben über die flächenhafte Erstreckung der Fehler machen. Bei gleichzeitiger Beschallung mehrerer innerer oder äußerer Oberflächen können Mehrfachechos entstehen, welche die Auswertung der Bildschirmanzeige erschweren. Beispiele dafür werden gezeigt und diskutiert. Bild: Ultraschallmessgerät Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 3 von 5

4 5 Versuchsauswertung Die Lage der Fehler in den einzelnen Werkstücke ist graphisch darzustellen. Die Berechnung der wahren Werkstückdicke ist bei ausgewählten Proben vorzunehmen. Ausgewählte Schallgeschwindigkeiten für einige Medien sind der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Medium c L Schallgeschwindigkeit m/s Stahl Eisen Aluminium Kupfer Dieselöl Luft (0 C) c L... Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwelle c T... Schallgeschwindigkeit der Transversalwelle c T 6 Kontrollfragen 6.1 Was ist Ultraschall und welche Prüfverfahren gibt es? 6.2 Nennen Sie den wesentlichen Unterschied zwischen dem Durchschallungsverfahren und dem Impuls-Echoverfahren! 6.3 Was muss beachtet werden, wenn andere Werkstoffe als Stahl mit Ultraschall geprüft werden? 6.4 Warum sind im Vakuum keine Schallwellen vorhanden? 7 Literatur H. Gräfen: Werkstofftechnik Lexikon VDI Gesellschaft Werkstofftechnik E. Macherauch: Praktikum Werkstoffprüfung Vieweg Verlag Praktikum Werkstoffprüfung Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 4 von 5

5 DIN EN ISO ; : DIN EN 12223; : DIN EN 583-2; : DIN EN 583-1; : Begriffe der Ultraschallprüfung Ultraschallprüfung: - Beschreibung des Kalibrierkörpers Nr.1 Ultraschallprüfung Teil 2:Empfindlichkeits- und Entfernungsjustierung Ultraschallprüfung Teil 1:Allgemeine Grundsätze Prof. Dr.-Ing. Eva Hille Seite 5 von 5