Ultraschallprüfung. 1. Grundlagen Versuchsdurchführung Erläuterungen zu Aufgabe

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1 Fachbereich 1 Laborpraktikum Physikalische Messtechnik/ Werkstofftechnik Ultraschallprüfung Bearbeitet von Herrn M. Sc. Christof Schultz christof.schultz@htw-berlin.de Inhalt 1. Grundlagen Versuchsdurchführung... 4 Erläuterungen zu Aufgabe Arbeitsanleitung zu Aufgabe 1 und Aufgabe Arbeitsanleitung zu Aufgabe Arbeitsanleitung zu Aufgabe Kolloquiumsfragen Quellen Hinweise zur Darstellung der Untersuchungsergebnisse Physikalische Messtechnik S.1

2 1. Grundlagen Bei dem Versuch Materialprüfung mit Ultraschall sollen die Eigenschaften, das Ausbreitungsverhalten und die Anwendungsmöglichkeiten von Ultraschallwellen kennengelernt werden. Ultraschallwellen sind mechanische Wellen. Die Wellen bauen sich aus Schwingungen der einzelnen Stoffteilchen auf. Man kann sich als Modell einen Körper in der festen Phase so vorstellen, wie es in Abb. 1 dargestellt ist, die untereinander durch Federn verbunden sind. Die Massepunkte in einem solchen System können ähnlich schwingen, wie es auch eine an eine Feder gehängte Masse kann. Es gibt nun zwei Wellentypen, die in einem festen Körper typisch für Ultraschallwellen sind. Das erste sind die Longitudinalwellen, gezeigt in Abb. 2. Dabei bewegen sich die Massepunkte in Ausbreitungsrichtung der Welle oder entgegengesetzt. Betrachtet man einen einzelnen Punkt aus der Gesamtheit der dargestellten Punkte, so führt dieser Punkt eine sinusförmige Bewegung im Laufe der Zeit aus, wenn die sich ausbreitende Welle eine Sinuswelle ist. Solche Longitudinalwellen, die mit Dichteschwankungen verbunden sind, können sich auch in Flüssigkeiten und in Gasen ausbreiten. Es ist dabei wichtig, das sich die Dichteschwankungen mit einer relativ hohen Geschwindigkeit ausbreiten, während der zweite Wellenzug, der nur im Festkörper vor-kommt, sich bedeutend langsamer ausbreitet. Dieser zweite Wellentyp ist in Abb. 3 dargestellt und heißt Transversalwelle. Dabei bewegen sich die Massepunkte senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Transversalwelle. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Transversalwelle ist immer langsamer, als die der Longitudinalwelle wie Physikalische Messtechnik S.2

3 man sich aus der Abb. 1 heraus konstruieren kann. Dabei muss man berücksichtigen, dass die bewegte Masse immer die gleiche ist, dass aber die Federkräfte, die die Massen in die Ausgangsposition zurückziehen, im Falle der Longitudinalwelle stärker sind, während bei der Transversalwelle die Rückstellkräfte geringer sind, die Feder also weicher zu sein scheint. Ultraschallwellen können ähnlich wie Lichtwellen gebrochen und gebeugt werden. Damit ist es möglich, die Schallwelle aus der Richtung abzulenken oder zu streuen. Bekannt sind abbildende Verfahren, wie sie z. B. in der Medizintechnik zu hoher Auflösung entwickelt worden sind. Bekannt sind auch Verfahren, wobei Schallpulse von reflektierenden Objekten zurückgeworfen werden und dann als Echo detektiert werden, z B. bei der Fledermaus oder beim Echolot. In unserem Versuch werden Schallpulse mit dem Impulsdurchstrahlungs- und -echoverfahren benutzt, um Laufzeiten von Schallpulsen zu messen. Aus der Laufzeit der Schallpulse können Rückschlüsse auf etwa vorhandene Fehler oder reflektierende Oberflächen gemacht werden. Wir beginnen zunächst mit Schallausbreitung im festen Körper. Es wird ein fester Körper durchstrahlt. Dabei gilt es fehlerhafte Stellen innerhalb eines Prüfkörpers zu detektieren. Impulsechoverfahren mit einem einzigen Schallwandler als Sender und Empfänger In diesem Versuch wird ein einziger Schallwandler sowohl als Sender als auch als Empfänger verwendet. Das Gerät schaltet intern elektronisch vom Sendebetrieb nach Ende des Hochfrequenzpulses den piezoelektrischen Wandler an den Eingang des Mikrofonverstärkers und registriert dann die Schallwellen, die aus dem Prüfkörper zurück geworfen werden. Wird als Prüfkör-per ein Zylinder verwendet, so sehen Sie ein starkes Echo vom gegenüberliegenden Boden des Zylinders, wenn Sie auf der einen Deckelseite einschallen. Diese Reflektion benötigt eine Laufzeit des Schalls einmal vom Piezowandler zum Boden und zurück. Befinden sich im Körper Störungen, z. B. Löcher, Risse oder ähnliches, so ist das Echo von diesen Störungen früher zurück am Empfängermikrofon als das Bodenecho. Sie können dann zusätzliche Schallechos zwischen dem Senderpuls auf dem Pulsechogerät und dem Empfangspuls sehen. Ein Problem bei dieser Art Versuche ist, dass die Schalleitung in Luft mit einer ganz anderen Impedanz erfolgt als in festen Körpern. Daher rührt eine sehr starke Reflektion bereits an dünnen Luftschichten und eine geringe Durchlässigkeit eines Luftspalts. Es ist daher unbedingt erforderlich, einen Luftspalt zwischen Schallwandler und Prüfkörper zu vermeiden. Dieser nicht vermeidbare Spalt kann mit Flüssigkeit gefüllt werden. Es können Öle, Wasser, oder in unserem Fall, Glycerin verwendet werden. Glycerin hat den Vorteil, nichtleitend zu sein und sich leichter als Öl wieder abwaschen zu lassen. Beachten Sie bei den Versuchen außerdem, dass stets gleichzeitig Longitudinal- und Transversalwellen auftreten, die nacheinander wegen der verschiedenen Ausbreitungsgeschwindigkeiten das jeweilige Echo liefern. Sie haben außerdem einige kleine Metallzylinder zur Verfügung, die unterschiedliche Körnung in ihrer Struktur aufweisen. Sobald die Körnung eines Prüfkörpers in Größenordnung der Wellenlänge der Schallwelle gerät, tritt eine starke Streuung des Schalls auf, der Prüfkörper verhält sich dann wie Nebel für Licht. Sie können dann kein Echo mehr registrieren. Physikalische Messtechnik S.3

4 2. Versuchsdurchführung Die Versuchsreihe gliedert sich in 4 Teilaufgaben: Aufgabe 1 Justieren und Finden von Ungänzen 1 /Fehlstellen im Stahl Aufgabe 2 Justieren und Finden von Ungänzen im Al-Zylinder Aufgabe 3 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit eines definierten Al-Prüfkörpers Aufgabe 4 Prüfung von Plexiglaskörpern mit verschiedenen Bohrungen. Erläuterungen zu Aufgabe 1 Bevor Sie nun das Werkstück auf Ungänzen untersuchen, müssen. Sie die Prüfeinrichtung auf einen bestimmten Prüfbereich einjustieren. Justieren heißt: Verschiebungs- (Steller 2) und Spreizungssteller (Steller 3) so einstellen, dass zwischen Skalenteil 0 und Skalenteil 10 ein bestimmter und bekannter Werkstück Tiefenbereich linear abgebildet wird. Im Normalfall entspricht dann der Skalenteil 0 der Werkstückoberfläche (T = 0) und der Skalenteil 10 der eingestellten maximalen Prüftiefe T max. Ist die gesamte Tiefe eines Werkstückes zu prüfen, so ist die maximale Prüftiefe größer oder gleich der Werkstückdicke zu wählen. Abbildung 4: Schematische Darstellung des Signalverlaufs durch einen ungestörten Prüfkörper 1 *Fehlerverdächtige Unregelmäßigkeit - Materialinhomogenität Eine Ungänze kann ein Fehler sein, der zur Verwerfung des Werkstückes führt. Mit Ungänze wird aber auch ein solcher Reflektor bezeichnet, der aufgrund seiner Art und seiner Größe die Brauchbarkeit des betreffenden Werkstückes nicht beeinträchtigt. Physikalische Messtechnik S.4

5 Der Sendeimpuls beginnt wegen der Vorlaufstrecke im Prüfkopf bereits vor Skalenteil 0, reicht aber wegen seiner Breite etwas in den Prüfbereich hinein. Dies bedeutet, dass oberflächennahe Reflektoren unter Umständen vom Sendeimpuls verdeckt werden. Für eine hundertprozentige Prüfung muss deshalb eine zweite Prüfung von der anderen Seite des Werkstücks durchgeführt werden. Zur exakten Bereichsjustierung ist eine Vergleichsstrecke notwendig, an die folgende Forderungen gestellt werden: a) das genaue Maß der Vergleichsstrecke muss bekannt sein. b) Vergleichskörper und Prüfobjekt müssen aus dem gleichen Material bestehen (gleiche Schallgeschwindigkeit). c) Der Vergleichskörper sollte planparallel und glatt sein. d) Der Vergleichskörper muss fehlerfrei sein. Am Beispiel eines Kontrollkörpers soll der Justiervorgang erläutert werden. Vergleichsstrecke: 25 mm, Prüfbereich: mm, Stahl 25 mm Abbildung 5: Schematische Darstellung des Kontrollkörpers 1 Prüfbereichsstufenschalter (10) auf 50 mm oder 100 mm Stahl einstellen., 2 Sendeimpuls mit dem Verschiebungssteller (2) etwa auf Skalenteil 0 einstellen. 3 Prüfkopf mit etwas Glycerin unter leichtem Druck auf dem Justierkörper ankoppeln. Auf dem Leuchtschirm sind dann außer dem Sendeimpuls mindestens 2 weitere Echos aus der 25-mm- Strecke zu sehen, siehe Abbildung 6. Physikalische Messtechnik S.5

6 Abbildung 6: Beispieldarstellung zur Geräteeinstellung Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rückwandechos durchläuft der Schallimpuls einmal die Vergleichsstrecke von 25 mm. 4 Mit dem Verschiebungssteller (2) bringt man den Fußpunkt der aufsteigenden Flanke des ersten Rückwandechos auf Skalenteil 2,5. 5 Mit dem Spreizungssteller (3) bringt man den Fußpunkt der aufsteigenden Flanke des vierten Rückwandechos auf Skalenteil 10. Dabei verändert sich gleichzeitig wieder die Position des ersten Rückwandechos. 6 Die Einstellvorgänge 3 und 4 werden so lange wiederholt, bis die ersten vier Rückwandechos auf den Skalenteilen 2,5 5-7,5 und 10 stehen, siehe Abbildung 7. Abbildung 7: Beispieldarstellung zur Geräteeinstellung- Rückreflexe Das vierte Rückwandecho steht also auf Skalenteil 10. Der Schallimpuls hat die Vergleichsstrecke von 25 mm insgesamt viermal durchlaufen. Der Skalenteil 10 stellt eine Prüfdicke von 4 * 25 mm = 100 mm dar. Der Skalenteil 5 stellt eine Prüftiefe von 2 * 25 mm = 50 mm, dar, usw. Die Leucht- Physikalische Messtechnik S.6

7 schirmskala gibt damit den Prüfbereich von mm Stahl linear wieder. Der Fußpunkt der aufsteigenden Flanke des Sendeimpulses steht bei richtiger Justierung etwas vor dem Skalenteil 0, bedingt durch die Vorlaufstrecke (Schutzplatte, Schutzfolie, Ölfilm). Arbeitsanleitung zu Aufgabe 1 und Aufgabe 2 Untersuchen Sie nun den Metallzylinder auf Ungänzen/Fehlstellen. Führen Sie die eben beschriebene Bereichsjustierung vorher durch. Die Justierkörper sind mit schwarzem Band umklebt. Die dazugehörigen Prüfkörper sind ebenfalls mit schwarzem Band entsprechend markiert. Stahl = 2 schwarze Streifen Aluminium = 1 schwarzer Streifen Wählen Sie einen Prüfbereich, der auf dem Leuchtschirm 2 Echos (ohne Sendepuls) anzeigt. Stellung der Steller beim USK7 Steller 11 auf 20 db (db-schalter grob) Steller 5 auf 6 db (db-schalter fein) Steller 10 auf 50 mm (Prüfbereich, grob) Steller 11 auf 5 (Steller Unterdrückung-Pegel) Zum Protokoll: Dokumentieren Sie das Leuchtschirmbild nach der Justage am jeweiligen Kontrollkörper (Kamera). Dokumentieren Sie die Lage der gefundenen Ungänzen (Aufsicht und Seitenansicht) und die entsprechenden Leuchtschirmbilder. Arbeitsanleitung zu Aufgabe 3 Bei der Justierung eines Impuls-Schall-Gerätes ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit des zu prüfenden Werkstückes nicht erforderlich, wenn man die Justierung wie allgemein üblich- mit einer Vergleichsstrecke durchführt. Andererseits kann man durch die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit eines unbekannten Werkstückes das Material bestimmen oder Aussagen über die Zusammensetzung desselben machen. Darüber hinaus spielt die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit auch bei der Bewertung von Ungänzen eine wesentliche Rolle. Geschwindigkeiten bestimmt man allgemein durch eine Messung der Zeit und der zugehörigen durchlaufenen Strecke. Physikalische Messtechnik S.7

8 Ein Beispiel Bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in Wasser kann andererseits die Tiefe bis zum Meeresboden gemessen werden (Echolot). Dazu befinden sich ein Schallsender und ein Schallempfänger am Rumpf des Schiffes. Der Sender sendet einen kurzen Schallimpuls aus, der sich mit der Schallgeschwindigkeit im Wasser fortpflanzt, am Meeresboden reflektiert wird und wieder am Schiff bzw. am Empfänger ankommt. Wie tief ist das Wasser bei einer Schallaufzeit von t = 82,03 Millisekunden? Aus v = s t folgt s = v t mit v Wasser = 1480 ms -1 ergibt Wegstrecke von 121,4 m. Da der Schall jedoch hin und zurück läuft, wird die Strecke bis zum Meeresboden zweimal durchlaufen; die Wassertiefe T beträgt also 60,7 m. Das Echolotverfahren zur Meerestiefenbestimmung lässt sich direkt in die Werkstoffprüfung mit Ultraschall übertragen. Um z. B. die Dicke (Länge) eines Werkstückes oder die Tiefe eines Reflektors zu bestimmen, muss man wieder die Schallaufzeit t zwischen dem Aussenden und Empfangen eines kurzen Ultraschallimpulses messen. Multipliziert man die Schallaufzeit t wieder mit der (bekannten) Schallgeschwindigkeit des Werkstückes, so ergibt sich der Schallaufweg. Halbiert man diesen Wert, so erhält man die gesuchte Abmessung. Gibt man umgekehrt die Länge eines Werkstückes vor, so kann man mit der gleichen Formel die Schallgeschwindigkeit berechnen, nachdem man wieder die Schallaufzeit gemessen hat. In beiden Fällen (Dickenmessung und Schallgeschwindigkeitsbestimmung) müsste man natürlich die Schallaufzeit sehr genau messen können; d.h. man müsste die Zeit an der horizontalen Leuchtschirmskala in [µs] ablesen können. In der Ultraschallpraxis geschieht dies natürlich nicht, denn man müsste für jede Wanddickenmessung oder Reflektorortung die gesuchte Größe erst nach der Formel berechnen. Stattdessen justiert man den Leuchtschirm direkt in mm des zu prüfenden Werkstückes ein. Dies geschieht sehr einfach mit Hilfe der Rückwandechofolge einer bekannten Vergleichsstrecke. Damit steckt aber indirekt die Laufzeit auch in der Leuchtschirmskala. Ein Beispiel Ein Prüfbereich von mm Stahl wurde einjustiert. 100 mm entsprechen 200 mm Schallaufweg, die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Stahl beträgt ~5900 ms -1. Dazu braucht der Schallimpuls: t = 200 mm = 33,9 µs 5900 mm 1 D. h., einem Skalenteil der horizontalen Leuchtschirmskala entsprechen 3,39 µs (Zeit-) Skalenfaktor: K = 3,39 µs /Skt Jedoch auch für die Schallgeschwindigkeitsbestimmung ist die genaue Schallaufzeit nicht erforderlich. Es genügt der lineare Zusammenhang zwischen der Laufzeit und der Werkstückdicke. Physikalische Messtechnik S.8

9 Gesucht: Gegeben: Schallgeschwindigkeit v x eines Werkstückes Dicke s x des Werkstückes, Ein Vergleichskörper mit bekannter Dicke s v und bekannter Schallgeschwindigkeit v v Ein mit dem Vergleichskörper genau justierter Prüfbereich. Zur Schallgeschwindigkeitsmessung vergleicht man die Laufzeit des ersten Rückwandechos aus dem Werkstück der Dicke s x mit derjenigen aus dem Vergleichsstück. Auf dem Leuchtschirm ist die Laufzeit t der Skalenteilung proportional und die Strecke s entspricht der Dicke des Werkstückes. Die Formel kann wie folgt geschrieben werden: v = s t ; v = s SSS x Für das Werkstück (x) und das Vergleichsstück (v) gilt dann: v v = s v SSS x mit Skt v = Skalenteil des 1. Rückwandechos aus dem Vergleichskörper und v x = s x SSS x mit Skt x = Skalenteile des 1. Rückwandechos aus dem Werkstück bei unveränderter Justierung. Das ineinander Einsetzen beider Formeln liefert: v x = v v s x s v SSS x SSS x Die Formel wird noch einfacher, wenn man anstatt Skt x (Position des Echos aus dem unbekannten Werkstück) den Wert s in mm einsetzt, der die Tiefe im Vergleichskörper entsprechen würde. Die Werte Skt v und s v fallen dann weg! v x = v v s x s g v x = unbekannte Schallgeschwindigkeit des Werkstückes v v = Schallgeschwindigkeit des Vergleichskörpers s x = wahre Länge des Werkstückes s g = am Ultraschallgerät abgelesener Wert (in mm entspr. der Justierung für das Vergleichsmaterial) Physikalische Messtechnik S.9

10 Bestimmen Sie nun die Schallgeschwindigkeit des Justierkörpers (Alu 1 Streifen). Der Vergleichskörper ist der Stahl-Zylinder (2 Streifen). Arbeitsanleitung zu Aufgabe 4 Prüfung der Plexiglaskörper. Warum liefern die Böden der Bohrungen unterschiedlich hohe Echos, obwohl alle Bohrungen den gleichen Durchmesser haben? Mit dem Plexiglaskörper ohne Bohrungen justieren. Stellung der Amplituden aufzeichnen. Besonderheiten? (Steller 10 auf 50 mm) Abbildung 8: Darstellung des Plexiglas-Prüfkörpers. Am Ende der Übungen bitte alle Werkstücke gründlich säubern!!! 3. Kolloquiumsfragen 1. Was ist Ultraschall? 2. Was versteht man unter einem Normalprüfkopf und wie baut er sich auf? 3. Welcher Gegenstand des täglichen Lebens entspricht in seinem Aufbau etwa einem Prüfkopf mit stark verminderter Schwingungsfrequenz? 4. Wodurch erfolgt die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Ultraschallschwingungen? 5. Welche Stoffe ( Kristalle ) können zur Erzeugung und zum Nachweis von Ultraschallschwingungen herangezogen werden? 6. In der Ultraschall-Prüftechnik kommen unterschiedliche Wellentypen vor, welche sind es und welche unterschiedlichen Merkmale charakterisieren sie? 7. Wozu dient die Glycerinschicht zwischen Werkstück und Prüfkopf? Physikalische Messtechnik S.10

11 4. Quellen Deutsch, Volker, Ultraschallprüfung, Springerverlag, Berlin Blumenauer, Horst, Werkstoffprüfung, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig Steeb, Siegfried, Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung, Expert - Verlag, Ehningen bei Böblingen 5. Hinweise zur Darstellung der Untersuchungsergebnisse Draufsicht: - Ermöglicht die örtliche Darstellung der detektieren Fehlerstelle(n) - Kann Aufschluss über die Ausdehnung der Fehlerstelle(n) geben XX mm Seitenansicht: - Ermöglicht die Darstellung der Tiefe der ermittelten der Fehlerstelle(n) Physikalische Messtechnik S.11