Werkstoffprüfung mit Ultraschall

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1 Josef Krautkrämer Herbert Krautkrämer Werkstoffprüfung mit Ultraschall Fünfte, völlig überarbeitete Auflage unter Mitarbeit von W. Grabendörfer, R. Frielinghaus, W. Kaule, L. Niklas, U. Opara, E. Primbsch, U. Schiengermann, H. Seiger, G. Splitt, K. Volkmann Mit 564 Abbildungen und 10 Tafeln Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo 1986

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 Teil A Physikalische Grundlagen der Ultraschallwerkstoffprüfung Schallwellen im freien Raum 4 1. Schwingungen und Wellen Nichtebene Wellen, Interferenz von Wellen Meßgrößen freier Wellen und Stoffkonstanten Ebene Schallwellen an Grenzflächen Senkrechter Einfall auf ebene Grenzflächen Senkrechter Einfall auf mehrfache Grenzflächen. Platte und Spalt Das Brechungsgesetz für ebene Wellen, Modenwandel Die Schalldruckwerte bei Reflexion und Brechung Modenwandel an Grenzflächen bei einfallenden Schallbündeln, geführte Wellen Die Schallgeschwindigkeiten der geführten Wellen, Dispersion * Randwellen Reflexion in einer rechtwinkligen Kante und in einer Ecke 45 3 Geometrische Akustik Gültigkeitsgrenzen Abstandsgesetze für Kugel- und Zylinderwellen * Reflexion und Brechung von Kugelwellen an ebenen Grenzflächen * Gekrümmte Grenzflächen als Spiegel und Linsen * Kugelwellen in Hohl- und Vollzylindern 56 4 Wellenphysikalische Behandlung des Schallfelds Elementare Beschreibung * Zonenkonstruktion des Schallfelds nach Fresnel * Grafische Darstellung von Schallfeldern Schallfeld des ebenen kreisförmigen Kolbenschwingers 73 * Die mit einem Sternchen bezeichneten Abschnitte sind für Anfänger weniger wichtig und können zur Erlernung elementarer Kenntnisse überschlagen werden.

3 X Inhaltsverzeichnis 4.5 Schallfelder nichtkreisförmiger Kolbenschwinger Schallfelder an Grenzflächen und bei Modenwandel * Fokussierte Schallfelder * Schallfelder bei Impulsanregung und ungleichförmiger Erregung des Schwingers 93 5 Echo und Schatten eines Reflektors im Schallfeld Reflexion einer ebenen Welle an einem ebenen Reflektor Echo eines Reflektors, AVG-Diagramm Schatten eines Reflektors Schrägliegende Kreisscheiben- und natürliche Reflektoren Die Schwächung von Ultraschallwellen in festen Stoffen Absorption und Streuung * Die Schwächung in Metallen, Anisotropie und Gußstruktur I lü 7 Piezoelektrische Verfahren zur Erzeugung und zum Empfang von Ultraschallwellen Piezoelektrische Stoffe und ihre Eigenschaften Die piezoelektrische Platte als Sender und Empfänger von Ultraschallwellen * Der piezoelektrische Wandler bei Impulsanregung * Andere Verfahren zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen Mechanische Effekte Thermische Effekte Elektrostatische Verfahren Elektrodynamische Verfahren Magnetostriktive Verfahren Optische Verfahren 160 Teil B Verfahren und Geräte der Ultraschallwerkstoffprüfung Übersicht und historische Entwicklung Tabellarische Übersicht Die historische Entwicklung Das Impulsechoverfahren, Aufbau und Wirkungsweise eines Impulsechogeräts Grundlagen Grundfunktionen eines Impulsechogeräts Blockschaltbild der Grundfunktionen

4 Inhaltsverzeichnis XI Die Bildröhre Der Taktgenerator und die Zeitbasis Der Sender DerEmpfänger Spezielle Funktionen für automatisierte Auswertung Die Torschaltungen ' Die Rückwandechoabsenkung Registrierverstärker, Spitzenwertspeicher Tiefenausgleich, tiefenabhängige Blende Wanddickenmeßzusätze Zusatzgeräte und Verfahren zur Dokumentation Die Prüfköpfe Einschwinger-Senkrechtprüfköpfe Einschwinger-Winkelprüfköpfe Sender-Empfänger-(SE)-Prüfköpfe Prüfköpfe für spezielle Anwendungen Eigenschaften von Impulsechogeräten und Prüfköpfen Allgemeine Eigenschaften Anwendungsspezifische Eigenschaften Überprüfung der Eigenschaften Eigenschaften des Bildteils Eigenschaftendes Verstärkers Prüfkopfdaten und Schallfeldeigenschaften Geräte für das Impulsechoverfahren und ihre Hersteller * Frequenzmodulationsverfahren * Verfahren zur Anzeigenverbesserung eines Impulsechogeräts Laufzeitverfahren Zeitmeßverfahren Interferometermethode Integrationsverfahren Auszählverfahren Geräte für das Laufzeitverfahren Wanddickenmessung bei guten Oberflächen Restwanddickenmessung Frequenzmeßverfahren Schmalbandige (Resonanz-)Verfahren Breitbandige Verfahren Weitere Laufzeitverfahren Schattenverfahren (Intensitäts- oder Durchschallungsverfahren) Bild- und Rekonstruktionsverfahren * Das Reliefverfahren * Ultrasonovision (RCA-Kamera) 264

5 XII Inhaltsverzeichnis 13.3* Der piezoelektrische, optisch-akustische Wandler (parametrischer Bildwandler) * Abbildung durch Bragg-Beugung * Das Schlierenverfahren * Bilderzeugung mit Hilfe des fotoelastischen Effekts * DUVD-Verfahren * Akusto-optische Flüssigkristallwandler * Das Schallsichtgerät nach Pohlman * Die Sokolov-Kamera * Die pyroelektrische Kamera Abtastverfahren mit Ultraschallimpulsen :1 B- und C-Bild-Darstellung, ALOK-Verfahren Das SAFT-, P-Scan-und SUTAR-Verfahren Gruppenstrahlerverfahren, digitales B-Bild- Gerät nach Kino; Tomografie Ultraschallmikroskopie, SLAM- und SAM-Verfahren Die akustische Holografie Grundlagen * Das holografische Reliefverfahren Piezoelektrisches Abtasten nach Amplitude und Phase Numerische Rekonstruktion Die Linienholografie, das HOLOSAFT-Verfahren Die Schallemissionsanalyse (SEA) 289 Teil C Allgemeine Prüftechnik Die Ankopplung Oberflächenzustand und-vorbereitung Gekrümmte Oberflächen Kopplungsmittel Ankopplungskontrolle Ankopplung über Zwischenschichten, Wasserspaltankopplung und Tauchtechnik Störeinfluß von Grenzflächen, komplizierte Schallwege und Schirmbilder Schallfeldveränderungen durch Grenzflächen parallel zur Strahlachse Nebenechos durch abgespaltene Transversalwellen Dreieckreflexionen "-Reflexion Schirmbilder bei Prüfung einer Platte Störanzeigen durch Oberflächenwellen 321

6 Inhaltsverzeichnis XIII 17 Prüftechnik mit winklig zur Oberfläche eingeschallten Wellen Winklig eingeschallte Longitudinalwellen Longitudinal-Kriechwellen Transversalwellen Oberflächenwellen Plattenwellen Störungen durch fremde Hochfrequenz-und Ultraschallwellen Fehlernachweis und-beurteilung Fehlersuchen und Echozüchten, Prüfkopfwahl Bestimmung des Ersatzreflektors, Testfehler und AVG-Diagramm Ausmessen großer Reflektoren, Abtasten und Echodynamik Mehrfrequenzverfahren, Echophase und Spektroskopie Organisation der Prüfung, Personal- und Ausbildungsfragen Prüfeinrichtungen und -anlagen 364 Teil D Spezielle Prüfaufgaben Werkstücke für den allgemeinen Maschinenbau Freiform-Schmiedestücke Wiederkehrende Prüfungen Mechanisierte Prüfeinrichtungen Sonstige Maschinenteile Eisenbahnmaterial Radsatzwellen Schienen Sonstiges Eisenbahnmaterial Bleche und Bänder Mittel- und Grobbleche Bänder und Feinbleche Halbzeug Stangen Knüppel Drähte Rohre 447

7 XIV Inhaltsverzeichnis 27 Gußstücke Schweißnahtprüfung Stumpfschweißnähte Allgemeines zur Prüfmethode Blechdicke, Schallwinkel, Prüffrequenz Fehlerortungsverfahren Fehlergröße, -form und -art Mechanisierung und Registrierung Austenitische Schweißnähte Kunststoffschweißnähte Kehlnähte Punktschweißungen Andere Schweißnahtformen Prüfung von Verbindungen und Verbundwerkstoffen Nietlochprüfung Schichtverbindungen durch Löten, Kleben, Plattieren Schicht- und Verbundwerkstoffe Lagerschalenprüfung Schrumpfsitzprüfung Reaktorprüfung (Kernkraftwerke) Reaktordruckbehälter Druckwasserreaktor Siedewasserreaktor Zylindrischer Teil von Reaktordruckbehältern, kombiniertes Vielkopfsystem Stutzenprüfung Bolzenlöcher und Muttern Bolzenprüfung Lochfeldprüfung Ultraschallelektronik für die Reaktorprüfung Rechnerauswertung 536 Reflektoranalyse 537 Andere Primärkreiskomponenten 538 Reaktorprüfung in den USA 538 Zuverlässigkeit der Prüfung 539 Reaktorprüfung in Japan 540 Reaktorprüfung in Großbritannien 540 Reaktorprüfung in Frankreich 541 Reaktorprüfung im RGW-Bereich 541 Reaktorprüfung mit Schallemissionsanalyse (SEA) Ultraschallprüfung von Schnellbrutreaktoren Metallische Werkstoffe und ihre besonderen Eigenschaften für die Ultraschallprüfung Stähle Stahlguß

8 Inhaltsverzeichnis XV 31.3 Gußeisen Leichtmetalle Buntmetalle Andere Nichteisenmetalle Sintermetalle Prüfaufgaben bei nichtmetallischen Werkstoffen Keramik und Glas Kunststoffe Gummi Gestein, Schleifscheiben, Kohle und Graphit Beton Holz und Leder Speck und Fleisch Ultraschallprüfung durch Messung von Werkstückeigenschaften Wand- und Schichtdickenmessung Schallgeschwindigkeitsmessung Schallschwächungs- und Schallstreuungsmessung * Härteprüfung (Kleinlast) Normung 597 Anhang 605 Literaturverzeichnis 621 Sachverzeichnis 700