Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Risse stellen aufgrund ihres Gefährdungspotentials ein hohes Risiko für das Versagen von Bauteilen, Komponenten und Anlagen dar. Ihre Detektion ist eine Standardaufgabe der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall. Die Quantifizierung von Rissparametern, z.B. der Risstiefe, ist eine Aufgabenstellung, für die es keine allgemeingültige Vorzugslösung gibt. Die Kenntnis von Rissparametern ist notwendige Voraussetzung für die Anwendung von bruchmechanischen Konzepten und fitness for purpose-Ansätzen. Mit bekannten Risstiefen können Zulässigkeitsgrenzen und Inspektionsfristen festgelegt, die Restlebensdauer abgeschätzt und Reparaturmaßnahmen geplant werden.
Gegenwärtig werden in der Ultraschallprüfung hauptsächlich Techniken zur Risstiefenmessung eingesetzt, die auf einer Laufzeitmessung von an der Rissspitze gebeugten Longitudinalwellen beruhen und unter der Bezeichnung TOFD bekannt sind [1 - 4]. Analoge Effekte sind auch mit Transversalwellen als Einkopfvariante anwendbar [5], [6].
Neben Longitudinal- und Transversalwellen bieten sich Rayleighwellen (Oberflächenwellen) zur Bestimmung der Risstiefe an. Ihre oberflächengebundene Ausbreitung und ihr Wechselwirkungsverhalten mit Rissen machen verschiedenartige Ansätze möglich.
Rayleighwellen gehören zur Gruppe der Grenzflächenwellen, die sich durch die Ausbreitung an Grenzflächen auszeichnen. Der bekannteste Vertreter dieser Wellengruppe ist die Rayleighwelle, die häufig auch als Oberflächenwelle bezeichnet wird. Sie existiert an der freien Grenzfläche eines Festkörpers und stellt eine Kombination longitudinaler und transversaler Teilchenverschiebungen dar, die nach unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten in Tiefenrichtung abklingen [7]. Ihre Eindringtiefe wird i.a. mit einer Wellenlänge gleichgesetzt.
Die zweidimensionale Ausbreitung der Rayleighwelle an der Oberfläche bewirkt eine Amplitudenabnahme im Fernfeld mit zunehmendem Schallweg s proportional zu 1 / 
[7].
Sie wird seit langem zum hochempfindlichen Nachweis von Oberflächenfehlern genutzt [8 - 12]. Allerdings ist auch eine starke Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenstörungen wie Kratzern, Rauheiten, Koppelmitteltropfen oder Schweißspritzern zu verzeichnen, die zu Störanzeigen führen.
Zur Erzeugung werden Winkelprüfköpfe verwendet, die als 90°-Prüfköpfe bezeichnet werden und die Modenkonversion von Longitudinalwellen in Rayleighwellen ausnutzen. Die Rayleighwellenschallfelder von derartigen Prüfköpfen können in Analogie zu konventionellen Winkelprüfköpfen in Abhängigkeit von Bauform und Frequenz durchaus auch Bereiche aufweisen, die dem Nahfeld oder einem übergangsbereich Nah- Fernfeld zugeordnet werden können.
Für die Erfassung der realen Schallfeldkonfiguration, insbesondere bei breitbandigen Prüfköpfen, ist die experimentelle Aufnahme des Schallfeldes vorteilhaft. Damit sind das laterale Auflösungsvermögen und die optimale geometrische Konfiguration der Prüfanordnung zu bestimmen. Besonders günstig, da berührungslos abtastend, aber gerätetechnisch aufwendig sind laserinterferometrische Verfahren [13], bzw. eine Aufnahme des Schallfeldes mittels elektrodynamischer Sonden [14]. Eine weitere Variante ist die Erfassung der Freifeldcharakteristik in einer Sende-Empfangsanordnung mit einem punktförmigen Piezowandler [15]. Hierbei muss der Empfangswandler möglichst rückwirkungsfrei abtasten und seine Apertur sollte kleiner als die Wellenlänge der zu erfassenden Welle sein.
Für die hier dargestellten Arbeiten wurde in Anlehnung an die Schallfelderfassung bei Tauchtechnikprüfköpfen die Messung der Reflexionscharakteristik bevorzugt. Die bei Senkrechtprüfköpfen übliche Abtastung des Schallfeldes mit einem kleinen Punktreflektor in Tauchtechnik, wobei Reflektor und Prüfkopf relativ zueinander bewegt werden [16], ist auf Rayleighwellenprüfköpfe nicht übertragbar, da eine Prüfkopfverschiebung bezüglich eines ortsfesten Reflektors zu unkontrollierbaren Ankopplungsschwankungen führt, welche die gemessenen Amplituden stark beeinflussen.
Abb 1: Schallfeldaufnahme mit Punktreflektor.
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Die Messung des Rayleighwellenschallfeldes wurde durch Relativbewegung eines kleinen kontaktierenden Reflektors (Punktreflektor) auf der Oberfläche bezüglich des ortsfesten Prüfkopfes verwirklicht (Bild 1). Hierbei tritt das Problem auf, dass das sehr schwache Reflektorsignal kleiner ist als die gleichzeitig auftretenden Störsignale, wie es beispielhaft Bild 2a) zeigt. Der zu erwartende Zeitbereich des Messsignals befindet sich zwischen den beiden vertikalen Cursorlinien im Bild 2a). Das für die Erfassung des Schallfeldes notwendige Punktreflektorsignal ist in dieser Darstellung nicht ermittelbar.
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Abb 2: A-Bild Punktreflektor a) vor und b) nach Signalverarbeitung.
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Durch Anwendung von Signalmittelung werden die inkohärenten Streuanzeigen vermindert und durch Differenzbildung mit einem Referenzsignal kohärente Streuanzeigen der Oberfläche und des Gefüges sowie Anzeigen, die aus dem Prüfkopfvorlauf stammen, entfernt. Dadurch gelingt es, wie Bild 2b) zeigt, das Nutzsignal des Punktreflektors mit ausreichendem Signal-Rausch-Abstand darzustellen.
Auf diese Art und Weise können die Punktreflektorsignale in einem ausreichend großen Ortsbereich erfasst werden, so dass die Schallfeldcharakteristik in verschiedenen Darstellungsformen abgebildet und ausgewertet werden kann. Bild 3 zeigt dies am Beispiel von Rayleighwellenschallfeldern in der Oberflächenebene sowie der Darstellungen der lateralen Amplitudenverteilung in drei verschieden Entfernungen.
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| Abb 3: Schallfelder von Rayleighwellenprüfköpfen (Draufsicht und laterale Verteilung an drei Positionen). | |
Besondere Bedeutung für eine Rissparameterbestimmung hat die Wechselwirkung der Rayleighwelle mit einem Riss. An einem Oberflächenriss wird die Rayleighwelle reflektiert, transmittiert und modenkonvertiert [17 - 21]. Bild 4 zeigt schematisch die Größenanteile der einzelnen Komponenten für einen Riss, der deutlich tiefer als die Wellenlänge ist. Bereits an der ersten Risskante kommt es zu einer ausgeprägten Umwandlung in Longitudinal- und Transversalwellen. Modenkonversion in Transversalwellen ist für die Rayleighwellen, die die Rissspitze erreichen, gleichfalls der dominierende Vorgang. Als Konsequenz sind die reflektierten Rissspitzensignale und die um den Riss transmittierten Signale relativ schwach.
Abb 4: Energiebilanz der Rayleighwelle am Riss.
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Die an den unterschiedlichen Risspositionen erzeugten Signale gestatten durch Auswertung der Laufzeit bzw. spektraler Größen eine Risstiefenbestimmung. Darüber hinaus steht die reflektierte oder transmittierte Amplitude als weitere Messgröße zur Verfügung.
Im folgenden werden Untersuchungen im Laufzeitbereich an Dreipunktbiegeproben und Kerbschlagbiegeproben mit eingebrachten Ermüdungsrissen unterschiedlicher Tiefe vorgestellt. Die Risstiefe variierte dabei zwischen 4 mm und 18 mm. Als Werkstoffe kamen konventionelle Baustähle zum Einsatz. Für die Amplitudenmessungen und Spektrumauswertung wurden Dreipunktbiegeproben aus einem vergüteten Baustahl mit Risstiefen zwischen 1,4 und 4,1 mm Tiefe eingesetzt. Zur Erzeugung von Rayleighwellen dienten konventionelle Rayleighwellenprüfköpfe (90°-Prüfköpfe) mit Frequenzen von 1 bis 5 MHz, wobei sowohl breit- als auch schmalbandige Wandler verwendet wurden.
Die reflektierte oder transmittierte Amplitude von Rayleighwellen kann im Bereich kleiner Risstiefen in Bezug zur Risstiefe gesetzt werden [22 - 24]. Allerdings zeigen theoretische Untersuchungen, dass die reflektierte Amplitude einen nichtmonotonen Verlauf mit zunehmender Risstiefe besitzt [20]. Ein erstes Amplitudenmaximum tritt bei a / l » 0,5 auf, gefolgt von einem Minimum bei a /l » 0,8. Anschließend steigt die Amplitude wieder an und ändert sich in Bereichen größerer Risstiefen nur noch geringfügig periodisch. Die im Bild 5 dargestellten experimentellen Ergebnisse des Reflexionsfaktors unterschiedlich tiefer Risse bestätigen diese Zusammenhänge.
Abb 5: Reflexionsfaktor in Abhängigkeit von der Risstiefe.
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Eine monotone Zunahme der Amplitude mit der Risstiefe tritt nur bei Tiefen kleiner 0,5 ,l auf. Im Bereich der Prüffrequenzen konventioneller Rayleighwellenprüfköpfe erscheint eine Amplitudenauswertung damit perspektivreich für die Charakterisierung der Rissentstehung, aber weniger geeignet für die Risstiefenbestimmung technisch relevanter Risse.
Das Transmissionsverhalten gestattet hingegen durch seinen theoretisch zu erwartenden monotonen Verlauf in einem Bereich bis zu a / l »1,5 [19] die eindeutige Zuordnung von Amplitudenwerten zu Risstiefenwerten in einem größeren Bereich.
Die im Bild 6 dargestellten experimentellen Ergebnisse bestätigen dies, wobei bei größeren Risstiefen weiterhin Amplitudenabnahme auftrat und damit größere Werte als theoretisch zu erwarten auftraten. Als Ursache kommt vor allem die zusätzliche höhere Schwächung der Rayleighwelle bei der Ausbreitung entlang der rauen Rissflächen in Betracht.
Abb 6: Transmissionsfaktor in Abhängigkeit von der Risstiefe.
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Die in den Bildern 5 und 6 dargestellten Ergebnisse gelten für offene Risse. Real treten hingegen durch Druckspannungen verursachte Rissschließeffekte auf, die durch Rissentstehung, plastische Verformung, Wärmebehandlung und mechanische Bearbeitung beeinflusst werden. Die hieraus folgende Kontaktierung der Rissufer bewirkt änderungen des Reflexions- und Transmissionsverhaltens von Ultraschallwellen [25 - 28].
Bild 7 zeigt diesen Effekt sehr ausgeprägt für die transmittierte Amplitude bei Einwirkung von Rissschließeffekten. Es zeigt sich, dass unter dem Einfluss der wirkenden Druckspannungen die Risse nahezu transparent für Rayleighwellen sind und die Amplitudenabhängigkeit in Größenordnung der Streuung der Messwerte liegt. Der für das Probenmaterial verwendete zwischenstufenvergütete Behälterstahl weist durch seine hohe Zähigkeit besonders ausgeprägt die Neigung zu derartigen Rissschließeffekten auf.
Abb 7: Transmissionsfaktor in Abhängigkeit von der Risstiefe bei Rissschließeffekt.
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Wurden die Risse durch Dreipunktbiegung schrittweise geöffnet, nahm die über den Riss transmittierte Amplitude stetig ab, während die reflektierte Amplitude mit der Last anstieg, anschließend aber abnahm und dann konstant blieb bei kompletter Rissöffnung. Dieses Verhalten ist sowohl von der Stärke der Rissschließeffekte als auch von der Risstiefe abhängig und lässt sich durch die änderungen der am Riss modenkonvertierten Anteile erklären [28]. Dies verdeutlichen die im Bild 8 aufgeführten experimentellen Ergebnisse, bei denen neben den reflektierten die änderung der am Riss modenkonvertierten Anteile dargestellt ist. Es zeigt sich, dass im vorliegenden Fall die änderungen des reflektierten Teils mit der Zunahme des modenkonvertierten Anteils korrespondieren.
Abb 8: Änderungen des Reflexionsfaktors (DR) und des modenkonvertierten Anteils (DK) in Abhängigkeit von der Rissöffnung ( a / l =1,2 ).
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Bemerkenswert ist, dass der geöffnete Riss ein geringeres Reflexionsvermögen aufweist als der geschlossene. Die teilweise nur geringen Unterschiede im Reflexionsverhalten offener und geschlossener Risse erklären auch die Tatsache, dass der Rissnachweis mittels Reflexion von Rayleighwellen auch bei Rissschließeffekten stets mit hoher Empfindlichkeit möglich war.
Durch Ausnutzung der an unterschiedlichen geometrischen Positionen des Risses erzeugten Echos können mittels Laufzeitmessungen Rissparameter bestimmt werden. Varianten der Risstiefenbestimmung sind sowohl in Reflexions- als auch in Transmissionstechnik einsetzbar. In Reflexion kann, wie Bild 9 im Schema darstellt, die Risstiefe am einfachsten durch Messung der Laufzeit t12 zwischen Risskante 1 und Rissspitze 2 nach
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mit der bekannten Rayleighwellengeschwindigkeit CR bestimmt werden [29 - 31].
Zu beachten ist, dass die Rissspitzensignale um mindestens 20 dB kleiner sind als die von der Risskante 1 reflektierten Anteile. Für den Fall rauer Rissflächen verschlechtert sich dieses Verhältnis weiter, wobei besonders die Verschlechterung des Signal-Rausch-Abstandes durch die stärkeren Streusignale der Oberflächenrauhigkeit der Rissflächen negativ in Erscheinung tritt. Messungen an Chromgusseisen und an Proben, bei denen die Risse in der Schmelzzone einer Schweißnaht lagen, zeigten diesen sich auf das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechternd auswirkenden Effekt, der durch das gröbere Gefüge weiter verstärkt wird.
Als effektiv erwies sich eine Ortsmittelung zur Verbesserung der Detektierbarkeit der schwachen Rissspitzensignale, da bei einer Prüfkopfverschiebung das Rissspitzensignal in zeitlich konstantem Abstand zum Kantensignal bleibt.
Als Störgröße treten Druckspannungen im Rissspitzenbereich auf, die zunehmende Modenkonversion bewirken und damit einen geringeren Anteil der Rayleighwelle an der Rissspitze verursachen.
Die Anwendbarkeit dieser Technik wird weiter durch die notwendige Auflösung der Echos von Risskante und -spitze begrenzt, die eine bestimmte Mindestrisstiefe als Abstand zwischen Kante und Spitze erfordert. Für konventionelle Prüfsysteme mit 4 MHz-Prüfköpfen wurde ein derartiger Grenzwert von ca. 4 mm ermittelt.
Abb 9: Schema der Risstiefenmessung mittels Reflexion an der Rissspitze.
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Das Bild 10 stellt die Ergebnisse für unterschiedlich tiefe Ermüdungsrisse als Abhängigkeit der experimentell ermittelten Risstiefen von den tatsächlichen dar.
Abb 10: Risstiefenmessung in Reflexion.
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In Transmission kann in der in Bild 11 dargestellten Anordnung die Risstiefe aus der Laufzeitdifferenz Dt1 der Rayleighwelle zwischen Sender und Empfänger mit und ohne Riss nach
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bestimmt werden [25], [26], [30 - 34].
Abb 11: Schema der Risstiefenmessung mittels Transmission an der Rissspitze.
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Das Bild 12 zeigt den Zusammenhang zwischen experimentell ermittelten und tatsächlichen Risstiefen für Rayleighwellen in Transmission.
Abb 12: Risstiefenmessung in Transmission.
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Im Laufzeitbereich ist sowohl bei Reflexion als auch Transmission eine Bestimmung der Risstiefe mit einer Genauigkeit von einigen Zehntelmillimetern in Abhängigkeit von der eingesetzten Frequenz möglich. Voraussetzung für die Anwendung der Laufzeitmethoden ist allerdings die eindeutige Identifizierung der entsprechenden Echos, was bei Vorliegen von Rissschließeffekten nicht immer möglich ist. Die Methoden sind auf tiefere Risse beschränkt, was für konventionelle Prüftechnik die Einsetzbarkeit ab ca. 4 mm Risstiefe bedeutet.
Durch Auswertung der an der Rissspitze durch Modenkonversion entstehenden Anteile sind sowohl in Reflexion als auch Transmission weitere Varianten der Rissparameterbestimmung möglich [25], [26], [30]. Von Vorteil ist hierbei die Möglichkeit, bei schrägliegenden Rissen eine komplette Bestimmung der Geometrie zu erzielen [30]. Allerdings liegen auch praktische Erfahrungen vor, nach denen diese Variante auf Grund zu schwacher Signale nicht anwendbar erscheint [35].
Die Wechselwirkungen von Rayleighwellen mit Rissen können auch im spektralen Bereich ausgewertet werden. Es entstehen Resonanzen im Spektrum rück- bzw. vorwärtsgestreuter Rayleighwellen, die auf Ausbreitung in Risstiefen- oder Risslängenrichtung zurückgeführt werden können [20], [25], [36 - 38]. Ihre Detektion im Spektrum gestattet den Rückschluss auf die verursachenden geometrischen Faktoren.
Unter der Voraussetzung, dass die Risstiefe a mit der Wellenzahl KR die Bedingung
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erfüllt, ist die Periodizität des Spektrums mit
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zu beschreiben [20], [37], [38].
Bild 13 zeigt das Spektrum eines 4,1 mm tiefen Risses, das mit einem 1 MHz-Prüfkopf aufgenommen wurde. Die Pfeile markieren die nach Gleichung (4) zu erwartenden Positionen der Resonanzen im Spektrum. Im vorliegenden Fall deuten sich diese auch an, gleichzeitig sind jedoch weitere Resonanzstellen zu beobachten, die die Auswertung erschweren. Auch der Bezug auf das Referenzspektrum einer Kante ergab keine deutliche Verbesserung. In anderen Fällen waren die zu erwartenden Resonanzpositionen nicht eindeutig ermittelbar. Als Ursache für weitere Resonanzstellen kommen neben Resonanzen in Probenbreitenrichtung (die besonders bei den relativ schmalen Kerbschlagbiegeproben auftraten) auch durch modenkonvertierte Anteile hervorgerufene in Frage.
Abb 13: Spektrum eines 4,1 mm tiefen Risses.
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Für den Fall eindeutig identifizierbarer Resonanzen entspricht die Genauigkeit der spektralen Methoden der der Laufzeitmethoden. Von Vorteil gegenüber einer Tiefenbestimmung durch direkte Amplitudenmessung ist, dass sich Ankopplungsschwankungen nicht direkt verfälschend auf das Ergebnis auswirken. Im Fall von Rissschließeffekten sind Auswertungen des Spektrums nicht alternativ zu anderen Methoden, so dass hier gleichermaßen Anwendungsgrenzen vorliegen.
Das komplexe Reflexions-, Transmissions- und Umwandlungsverhalten von Rayleighwellen am Oberflächenriss gestattet mehrere Herangehensweisen zur Bestimmung der Risstiefe durch Auswertung von Laufzeit, Amplitude oder spektraler Größen. Die physikalisch bzw. prüftechnisch begründeten Anwendungsgrenzen der einzelnen Methoden sind für den konkreten Anwendungsfall zu beachten. Insbesondere Rissschließeffekte treten als limitierender Faktor für eine Bestimmung von Rissparametern auf, haben aber auf den empfindlichen Rissnachweis mit Rayleighwellen nur geringeren Einfluss.
Danksagung: Der Autor bedankt sich für die Förderung der vorgestellten Arbeit im Rahmen eines Projektes durch das Land Sachsen-Anhalt.
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