GIUM ein unkonventionelles Verfahren der Mikrostrukturabbildung mit Ultraschallanregung und laservibrometrischer Abtastung

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Cornelius Peters
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1 Seminar des Fachausschusses Ultraschallprüfung Vortrag 9 GIUM ein unkonventionelles Verfahren der Mikrostrukturabbildung mit Ultraschallanregung und laservibrometrischer Abtastung Bernd KÖHLER *, Martin BARTH *, Maik Müller**, Frank SCHUBERT * * Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP, Institutsteil Dresden (IZFP-D) ** Technische Universität Dresden Kurzfassung Das Gefüge von Metalloberflächen wird üblicherweise durch Polieren und Ätzen sichtbar gemacht. Dabei wird die Oberfläche verändert. Allerdings lassen sich an manchen Metallen oder Legierungen nur schwer kontrastreiche Metallografien anfertigen. Auch hängt die Qualität der Aufnahmen von der Einhaltung von Rezepten ab und ist schwer zu kontrollieren. Dies trifft insbesondere für die mobile Metallografie zu, die an großen Bauteilen einzusetzen ist. Das hier vorgestellte Verfahren der Abbildung der Kornstruktur mittels vibrometrischer Abtastung von streifenden Ultraschallwellen kommt ohne chemische Bearbeitung der Oberfläche aus und ist auch für große Bauteile einsetzbar. Das neue Verfahren wird am Beispiel einer austenitischen Schweißnaht demonstriert. Der Vergleich mit EBSD-Aufnahmen (EBSD: electron backscatter diffraction) derselben Probe bestätigt die Interpretation der gewonnenen Bilder. Danksagung: Die dargestellten Arbeiten wurden zum Teil mit Mitteln des BMWi unter dem Förderkennzeichen GRS unterstützt, wofür an dieser Stelle herzlich gedankt wird. Lizenz: 1

von Metalloberflächen wird üblicherweise durch Polieren und Ätzen sichtbar gemacht. Dabei wird die Oberfläche verändert.

2 GIUM - ein unkonventionelles Verfahren der Mikrostrukturabbildung mit Ultraschallanregung und laservibrometrischer Abtastung Bernd Köhler*, Martin Barth*, Maik Müller**, Frank Schubert* * Fraunhofer IZFP-D ** TU Dresden Berlin Gliederung GIUM - ein Verfahren der Mikrostrukturabbildung mit LDV 1. Motivation: Ultraschallprüfung von austenitischen und Mischnähten 2. Erfassung und Visualisierung der Ultraschallausbreitung mittels LDV 3. Verbesserung der SLDV durch intelligentes Mitteln 4. Lokale Information aus Kriechwellen (SSLW) gewinnen; die Ultraschallmikroskopie mit streifenden Einfall (Grazing Incidence Ultrasound Microscopy GIUM) 5. Stabilität der Ergebnisse GIUM für verschiedenen Einfallsrichtungen 6. Vergleich mit EBSD-Referenzmessungen 7. Vorläufige Erklärung des Kontrastes 8. Zusammenfassung 2

Motivation: Ultraschallprüfung von austenitischen und Mischnähten 2. Erfassung und Visualisierung der Ultraschallausbreitung mittels LDV 3. Verbesserung der SLDV durch intelligentes Mitteln 4.

3 Motivation: Ultraschall-Prüfung von austenitischen SN austenitische SN in einer dickwandigen Komponente Die Dentriten wachsen durch die Schweißraupen Die Dendriten sind elastisch anisotrop, ihre Orientierung beeinflusst die Schallausbreitung Motivation: Ultraschall-Prüfung von austenitischen SN Austenitische SN Modellierung der Wellenausbreitung mittels Ray-Tracing, Einfallswinkel 70 V. Schmitz, et al. longitudinal drei Gebiete mit homogener Kornorientierung SV Projekt Prüfgerechtes Schweißen S. Wagner Mo 2.B.4 F. Schubert P49 3

Ultraschall-Prüfung von austenitischen SN Austenitische SN Modellierung der Wellenausbreitung mittels Ray-Tracing, Einfallswinkel 70

4 Visualisierung der Wellenausbreitung mittels LDV Testkörper mit Laser-reflektierender Oberfläche an der Schnittfläche Ultraschall-Prüfkopf sendet gepulste Longitudinalwellen durch Schweißnaht Punktweise Abtastung der Oberfläche mit Laser-Doppler-Vibrometer Schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis Signalmittelung notwendig Schnelle Mittelungsmethode für kürzere Messzeit entwickelt austenitische Schweißnaht Visualisierung der Wellenausbreitung mittels LDV austenitische Schweißnaht 4

Laser-Doppler-Vibrometer Schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis Signalmittelung notwendig Schnelle Mittelungsmethode für

5 Verbesserung der LDV durch intelligentes Mitteln siehe: M.Barth, u.a.: DACH Tagung 2012 Austenite Austenite Austenite Austenite 5

6 Verbesserung der LDV durch intelligentes Mitteln 45 longitudinal Welle f = 2 MHz intelligentes Mitteln: Mittelung 4000 x Auflösung 1 mm Schwache WW der l-welle mit der SN Verbesserung der LDV durch intelligentes Mitteln 45 longitudinal Welle f = 2 MHz intelligentes Mitteln: Mittelung x Auflösung 0,2 mm Besseres S/N Verhältnis höhere Auflösung Schwache WW der l-welle mit der SN Starke Streuung der Transversalwelle 6

Besseres S/N Verhältnis höhere Auflösung Schwache WW der l-welle mit der SN Starke Streuung der

7 Grazing Incidence Ultrasonic Microscopy - GIUM Die Welle enthält lokale Information, Wie ist diese extrahierbar? Grazing Incidence Ultrasonic Microscopy - GIUM Methode 1: Bestimme für jeden (x-y) Pixel den Wert des ersten echten Maximums und trage ihn in ein neues Bild ein Methode 2: führe einen geeigneten Schnitt durch den Bildstapel durch (z.b. mit) ImageJ APL 101 (2012) 7

Grazing Incidence Ultrasonic Microscopy - GIUM Methode 1: Bestimme für jeden (x-y) Pixel den

8 Grazing Incidence Ultrasonic Microscopy - GIUM S. Wagner, S. Dugan, MPA Stuttgart Diese Methode nennen wir Grazing Incidence Ultrasound Microscopy (GIUM ) Verifikation I: GIUM für verschiedene SSLV Einfallsrichtungen 8

9 Vergleich mit EBSD-Referenzmessungen EBSD = Electron Backscatter Diffraction Kikuchi Linien für einen Punkt Elektronen werden an Gitterebenen gestreut Beugungsbild auf EBSD-Detektor Inversion und Farbzuordnung des Bildpixels Vergleich mit EBSD-Referenzmessungen v: 71 v: 75 v: 79 v: 85 v: 91 v: 110 v: 122 v: 136 v: 152 v: v: 71 h: 99 v: 75 h: 102 v: 81 h: 103 v: 86 h: 101 v: 92 h: 102 h: 105 v: 110 h: 105 v: 123 h: 107 v: 136 h: 105 v: 151 h: 109 v: 169 h: v: 68 h: 103 v: 73 h: 107 v: 78 h: 107 v: 83 h: 109 v: 89 h: 111 h: 113 v: 111 h: 114 v: 123 h: 118 v: 141 h: 119 v: 161 h: 124 v: 180 h: v: 66 h: 110 v: 70 h: 113 v: 77 h: 114 v: 83 h: 117 v: 90 h: 120 h: 125 v: 110 h: 124 v: 127 h: 130 v: 142 h: 136 v: 162 h: 141 v: 184 h: v: 65 h: 118 v: 68 h: 120 v: 73 h: 123 v: 81 h: 126 v: 88 h: 130 h: 135 v: 114 h: 136 v: 128 h: 144 v: 146 h: 153 v: 167 h: 161 v: 189 h: v: 65 h: 128 v: 68 h: 127 v: 75 h: 131 v: 81 h: 135 v: 89 h: 139 h: 148 v: 110 h: 150 v: 129 h: 160 v: 148 h: 173 v: 170 h: 181 v: 193 h: v: 64 h: 131 v: 66 h: 135 v: 71 h: 139 v: 78 h: 145 v: 85 h: 150 h: 163 v: 116 h: 166 v: 133 h: 178 v: 153 h: 193 v: 176 h: 204 v: 204 h: v: 97 h: 163 h: 179 v: 116 h: 183 v: 134 h: 197 v: 158 h: 210 v: 185 h: 230 v: 209 h: 240 GIUM EBSD (88 Einzelbilder) Maik Müller, IAVT, TU Dresden 9

86 h: 101 v: 92 h: 102 h: 105 v: 110 h: 105 v: 123 h: 107 v: 136 h: 105 v: 151 h: 109 v: 169 h: 108 3 v: 68 h: 103 v: 73 h: 107 v: 78 h: 107 v: 83 h: 109 v: 89 h: 111 h: 113 v: 111 h: 114 v: 123 h:

10 Direktvergleich GIUM und EBSD Interpretation des Kontrastmechanismus Woher kommt der GIUM Kontrast? Virtueller Schnitt entlang der Einschallrichtung 10

11 Interpretation des Kontrastmechanismus Blick auf die neue Schnittebene SSLW die externe Dehnung induziert zusätzliche (lokale) Verschiebungen diese hängen von der Kornorientierung ab und sind die Ursache für den Kornkontrast See: APL 101 (2012) Zusammenfassung / Schlussfolgerungen Laser Vibrometer Visualisierung hilft die Wellenausbreitung zu verstehen GIUM nutzt lokale Variationen der elastischen Eigenschaften zur Visualisierung der Mikrostruktur GIUM ist eine Nahfeldmethode mit einer Auflösung deutlich unter der akustischen Wellenlänge Für austenitische SN kann die dendritische Mikrostruktur gemeinsam mit der Wellenausbreitung in einer berührungslosen Messung bestimmt werden Laufende Arbeiten betreffen die Anwendung von GIUM auf andere Materialien/Fragestellungen 11

der elastischen Eigenschaften zur Visualisierung der Mikrostruktur GIUM ist eine Nahfeldmethode mit einer Auflösung deutlich unter der akustischen Wellenlänge Für austenitische SN kann die

12 Danksagung Die Arbeiten wurden zum Teil durch Unterstützung des BMWi im Rahmen des GRS Projektes Prüfgerechtes Schweißen ermöglicht, wofür an dieser Stelle herzlich gedankt wird. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Sie sind herzlich eingeladen, mit uns an innovativen Ideen in einer Stadt voller Historie und Kultur, einer hohen Lebensqualität und einer attraktiven Umgebung zu arbeiten. 12

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