Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Den Anstoß zu den vorgestellten Überlegungen gaben signifikante Abweichungen bei der Fehlertiefenbestimmung von Fehlern bekannter Tiefe in austenitisch plattierten Testkörpern (Diagramm 1), die an ferritischen Testkörpern (Diagramm 2) nicht auftraten [1]. Die aus den TOFD-Messungen bestimmten Fehlertiefen waren grundsätzlich zu klein.
Diagramm 1: errechnete Fehlertiefen.
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Diagramm 2: errechnete Fehlertiefen.
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Die Vermutung liegt nahe, dass der Effekt durch die Anisotropie der Plattierung verursacht wird. Dies ist Gegenstand der Untersuchung.
Sende- und Empfangsprüfkopf, SPk und EPk, werden mit einem festen Abstand a voneinander an der fehlernahen Oberfläche quer zur Fehlerorientierung bewegt. Bei der TOFD-Technik (Time of flight diffraction technique) werden zur Fehlertiefenbestimmung die Laufzeiten der Longitudinalwellen ausgewertet. Sie treffen zuerst am EPk ein und sind daher eindeutig zuzuordnen. Den kürzesten Weg sL vom SPk zum EPk hat die dicht an der Oberfläche laufende, sich mit Longitudinalwellengeschwindigkeit ausbreitende Kriechwelle. Sie wird von einem oberflächenverbundenen quer liegenden Fehler an der Ausbreitung gehindert. Im Zusammenhang mit TOFD wird diese Welle (vor allem in der angelsächsischen Literatur) oft als Lateralwelle (lateral wave) bezeichnet und diese Bezeichnung deshalb hier übernommen.
Abb 1: Prüfkopfanordnung bei den TOFD-Messungen.
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Abb 2: Laufzeiten in Abhängigkeit von der Prüfkopfposition, isotrop.
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Die sich ins Volumen ausbreitende Welle trifft auf die untere Fehlergrenze. Ein Anteil läuft um die Fehlergrenze herum (Beugung) und gelangt auf dem Umweg s1 + s2 zum Empfänger. Die Länge des Umweges, der Schalllaufweg der gebeugten Welle, ist von der Prüfkopfposition abhängig, wodurch bei der Abtastung typische Laufzeitkurven entstehen (Bild 2), wie sie auch in der TD-Bild-Darstellung (time-displacement) bei TOFD Messungen zu finden sind (Bild 7 links), und die als Kriterium für das Vorhandensein eines Beugungsobjekts (Fehlers) dienen. Die Laufzeit ist minimal, wenn sich der Fehler in der Mitte zwischen den Prüfköpfen befindet.
Der Schall breitet sich auf den Wegen s1 und s2 jeweils geradlinig aus, sofern der Werkstoff homogen ist. Aus der minimalen Laufzeitdifferenz Dt (siehe Bild 2) zwischen der Lateralwelle und der gebeugten Welle wird die Weglänge der gebeugten Welle berechnet und daraus geometrisch die Fehlertiefe bestimmt.
| (1) |
Für die Fehlertiefenberechnung nach (1) muss die Schallgeschwindigkeit c bekannt und auf allen Wegstücken sL, s1 und s2 gleich sein. Bei ferritischem Stahl liefert das Verfahren im Rahmen der Messgenauigkeit richtige Ergebnisse.
Austenitische Stähle bilden Stängelkristalle in Richtung des Temperaturgradienten bei der Erstarrung, die auch nach der Abkühlung erhalten bleiben. Sie sind akustisch anisotrop; die Schallgeschwindigkeit ist richtungsabhängig. In der Plattierung stehen die Stängelkristalle in etwa senkrecht zur Oberfläche des Grundwerkstoffs mit einer Neigung von bis zu 20° in Schweißfortschrittsrichtung.
Für die Simulation zur Abschätzung des Effekts wurde die Geschwindigkeitsverteilung im Einkristall eines vergleichbaren Werkstoffs gewählt (Bild 3), von dem die elastischen Konstanten bekannt sind. Daraus wurden durch Lösung der Christoffelgleichung die Phasen- und daraus iterativ die Gruppengeschwindigkeiten berechnet.
In der Plattierung sind die realen Verhältnisse komplizierter: Die Plattierung ist polykristallin, und die elastischen Konstanten sind nicht ohne weiteres bestimmbar. Jedoch ermöglicht die Einschränkung des Winkelbereichs der Stängelrichtung, die mit der Richtung einer Kristallachse zusammenfällt, eine Abschätzung der Schallgeschwindigkeiten auf den interessierenden Schalllaufwegen.
Die Richtungen der beiden anderen Kristallachsen der Kristallite sind weitgehend statistisch verteilt. Daher ist der Werkstoff makroskopisch mehr oder weniger transversal isotrop, so dass die Richtungen senkrecht zur Stängelachse hier unberücksichtigt bleiben können.
Abb 3: Gruppenschallgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Richtung in Bezug auf die Stängelkristallachse (in der Darstellungsebene senkrecht). Hier interessiert nur die Longitudinalwellengeschwindigkeit.Die Pfeile markieren die Schallgeschwindigkeiten der Lateralwelle und der gebeugten Welle auf den Teilstücken s1 und s2 (Stängelstellung 0°, Prüfkopfposition wie in Bild 4). Die gebeugte Welle läuft auf beiden Teilstücken s1 und s2 schneller als die Lateralwelle sL. |
Abb 4: TOFD an Plattierung.
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Abb 5: Laufzeiten in Abhängigkeit von der Prüfkopfposition, anisotrop.
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Die Schallgeschwindigkeiten sind auf den Wegen s1, s2, und sL i.A. unterschiedlich groß und für s1 und s2 auch noch von der Prüfkopfposition abhängig. Der Zusammenhang zwischen Dt und der Fehlertiefe wird komplizierter. Die Laufzeitdifferenz Dt wird durch die höhere Schallgeschwindigkeit der gebeugten Welle gegenüber der Lateralwelle kleiner (Bild 5).
Da bei einer Stängelstellung von 0° die Schallgeschwindigkeitsverteilung bezüglich der Oberflächennormalen spiegelsymmetrisch ist, ist auch die Laufzeitkurve (Bild 5) symmetrisch um die geometrische Mittelstellung des Fehlers zwischen den Prüfköpfen.
Für den Fall einer Stängelneigung zur Oberfläche ist zu erwarten, dass die Laufzeitkurven asymmetrisch werden (Bild 6). Der Effekt kann bei Messungen tatsächlich beobachtet werden, wenn man dafür sensibilisiert ist (Bild 7 rechts). Die Richtung der Verschiebung des Laufzeitminimums in den TD-Bildern ist vom Vorzeichen der Stängelneigung bezüglich der Abtastrichtung abhängig.
Abb 6: Berechnete Laufzeitkurve bei einer Stängelneigung von 10°.
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Abb 7: Gemessene Laufzeitkurven aus [1] an einem ferritischen Testkörper (links) und an einer Plattierung (rechts).
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Verwendet man die für die Plattierung simulierten Laufzeiten für die übliche Fehlertiefenbestimmung nach Formel (1), dann sind die berechneten Fehlertiefen immer kleiner als die tatsächliche geometrische Fehlertiefe Tgeo (Bild 8). Die Abweichung wächst mit dem Prüfkopfabstand und strebt einem Grenzwert zu.
Abb 8: Berechnete Fehlertiefen bei üblicher Auswertung der Laufzeiten bei verschiedenen geometrischen Fehlertiefen Tgeo, Einfluss des Prüfkopfabstandes.
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Dies entspricht dem bei den Messungen [1] beobachteten Verhalten. Auch die Größenordnung der Abweichung wird für größere Prüfkopfabstände durch die Simulation richtig wiedergegeben.
Die gleiche relative Abweichung zwischen der berechneten und der tatsächlichen Fehlertiefe ergibt sich bei gleichen Winkelverhältnissen, was eine auf die tatsächliche Fehlertiefe normierte Darstellung (Bild 9) nahelegt.
Abb 9: Einfluss des Prüfkopfabstandes auf die berechneten Fehlertiefen bei üblicher Auswertung der Laufzeiten, normierte Darstellung.
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Abb 10: Einfluss der Stängelneigung d und des Prüfkopfabstandes auf die berechneten Fehlertiefen bei üblicher Auswertung der Laufzeiten, normierte Darstellung.
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Bei einer Stängelneigung d ergeben sich die Schallgeschwindigkeiten auf den verschiedenen Wegen aus der Geschwindigkeitsverteilung in Bild 3, nachdem sie um den Neigungswinkel gegenüber der Oberflächennormalen gedreht wurde. Mit zunehmender Stängelneigung verringert sich der Effekt (bis auf den messtechnisch uninteressanten Fall sehr kurzer Prüfkopfabstände).
Die vorgestellten Untersuchungen beschränkten sich auf die prinzipielle Erklärung der bei den Messungen festgestellten Abweichungen bei der Fehlertiefenbestimmung mit TOFD an plattierten Testkörpern. Für die praktische Verwendung müssten weitere Untersuchungen durchgeführt werden:
Die akustische Anisotropie austenitischer Plattierungen hat einen erheblichen Einfluss bei der Fehlergrößenbestimmung mit TOFD. Mit der beschriebenen Anordnung werden systematisch zu kleine Fehlertiefen bestimmt. Die Simulation der Schalllaufzeiten mit der prinzipiellen Kenntnis über Art der Anisotropie in austenitischen Plattierungen liefert eine Erklärung des Effekts und trifft auch die Größenordnung der Abweichungen, obwohl weder die elastischen Konstanten noch deren Ortsabhängigkeit in der speziellen Plattierung bekannt sind.
Mit Hilfe von aus Simulationsrechnungen zu gewinnenden Korrekturfunktionen wäre es sicher möglich, die TOFD-Technik für die Fehlergrößenbestimmung an Plattierungen zu verwenden und durch Abschätzung der oberen Grenze des Effekts konservativ sichere Ergebnisse zu erhalten.
Wie dem Autor inzwischen bekannt ist, wurden ähnliche Untersuchungen von Charlesworth und Temple [2] durchgeführt. Sie kommen ebenfalls zu dem Ergebnis, dass vereinfachte Annahmen über die Anisotropieeigenschaften der Plattierung ausreichend sind, um Fehlertiefen mit TOFD richtig zu bestimmen. Auch die Abhängigkeit vom Prüfkopfabstand wurde erwähnt. Der mögliche Einfluss der Stängelneigung auf die Fehlertiefenbestimmung und die Entstehung der asymmetrischen Laufzeitkurven konnte dort nicht festgestellt werden, weil der dort verwendete nutartige Testfehler in Schweißfortschrittsrichtung orientiert war.
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