Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Der Nachweis und die Charakterisierung von "kleinen Rissen" mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren stellt insbesondere dann eine schwierige Aufgabe dar, wenn diese Risse in der Nähe anderer Inhomogenitäten - z.B. Poren, Materialeinschlüssen oder geometrischen Charakteristika mit kleinem Krümmungsradius wie Objektkanten und Oberflächenkerben durch die Materialbearbeitung - liegen. Diese Nähe entspricht aber gerade dem Normalfall, da Ermüdungsrisse bevorzugt im Spannungsfeld von mikroskopischen oder geometrisch bedingten Kerben entstehen. Gleichzeitig stellt es eine Aufgabe dar, Risse so früh wie möglich nach ihrer Entstehung sicher zu detektieren und wenn möglich zu bewerten. Damit können Inspektionsintervalle von sicherheitsrelevanten Bauteilen ohne Vergrößerung eines Sicherheitsrisikos verlängert und so bedeutende ökonomische Effekte erzielt werden.
Das Problem besteht bei vielen Prüfverfahren nicht so sehr in einer zu kleinen absoluten Empfindlichkeit der Verfahren. Vielmehr verdecken die Anzeigen bruchmechanisch weniger relevanter Charakteristika diejenigen der gesuchten Risse oder eine klare Zuordnung zu einer der Gruppen ist nicht möglich. So liefern Objektkanten und Materialbearbeitungsspuren bei der Ultraschallprüfung mittels Rayleighwellen häufig Echos, die vergleichbare oder deutlich größere Amplitude besitzen als die gesuchten Risse. Die Aufgabe besteht somit darin, Verfahren zu finden, die spezifisch auf Risse reagieren.
Für oberflächenverbundene Risse ist eine solche Methode z.B. mit dem (Farb-) Eindringverfahren verfügbar. Aber auch das Wirbelstromverfahren lässt sich entsprechend anpassen. Deutlich schwieriger sind die Verhältnisse für Risse, die von Inhomogenitäten im Volumen oder von nicht zugänglichen Oberflächen starten. Der letztere Fall liegt z.B. bei überlappungen von Blechen vor und ist für Prüfungen im Flugwesen besonders relevant.
Ein weiteres Spezifikum von Rissen, welches für deren Charakterisierung genutzt werden kann, ist die Bewegung der Rissufer bei veränderlicher elastischer Spannung. So führen einerseits mechanische Wechselbelastungen durch Rissuferreibung und plastische Deformationen an der Rissspitze u.a. zur Erzeugung von elastischen Wellen und Wärme die mittels Schallemission bzw. thermographischen Verfahren nachgewiesen werden können. Andererseits kann der Einfluss der Rissuferbewegung unter einer solchen Wechselbelastung auf die Ultraschalltransmission, -reflexion bzw. Beugung genutzt werden. Dies wurde erfolgreich an lokal durch einen Laserspot erzeugten mechanischen Wechselbelastungen demonstriert [bernd:], wobei dieses Verfahren auf oberflächennahe Bereiche begrenzt ist. In diesem Beitrag werden im Gegensatz dazu globale Spannungsfelder genutzt mit der Intention, auch im Volumen oder an verdeckten Flächen kleine Risse besser detektieren zu können.
Der grundsätzliche methodische Ansatz besteht in der Nutzung der Tatsache, dass sich bei Entlastung eines zuvor belasteten rissbehafteten Bauteiles der Riss in der Umgebung seiner Spitze partiell schließt [2]. Es ist folglich unmittelbar einsichtig, dass bei zyklischer Belastung über die charakteristische Rissöffnungsspannung hinaus auch die Wechselwirkung des Ultraschalls mit dem Riss mit der Periode dieser Belastung verändern wird. Für Formanzeigen gilt dies in weit geringerem Maß. Wir unterscheiden zwei Verfahren - das Lastspiel B-Bild-Verfahren und das Lastspiel-Differenzverfahren - nach dem Zeitregime, in dem die Ultraschallsignale den Riss abtasten.
Abb 1: Schema des Zeitregimes von Lastspiel-Differenzverfahren und Lastspiel B-Bild Verfahren.
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Beim Lastspiel B-Bild (LB-Bild)-Verfahren (Abb. 1, unten) erfolgt diese Abtastung mit einer möglichst hohen Rate über etwa eine Periode der Wechselbelastung. Die dabei anfallende Datenmenge stellt man günstigerweise in einer Art modifiziertem B-Bild dar, wobei auf der zweiten Achse (neben der Zeitachse) jetzt nicht die Sensorposition sondern der äußere Lastparameter, z.B. die Gesamtkraft, abgetragen wird [3].
Beim Lastspiel-Differenzverfahren wird der Riss demgegenüber sehr selten, beispielsweise nur in den Lastmaxima und Lastminima abgetastet. Bei Vorliegen von Rissschließeffekten wird sich das Risssignal hierbei verändern, währenddessen Formanzeigen weitgehend ungeändert bleiben. Eine einfache Subtraktion sollte also A-Bilder liefern, die von Formanzeigen weitgehend befreit sind. Natürlich können diese A-Bilder zur weiteren Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses noch wie gewöhnliche A-Bilder gemittelt werden. Beispiel für das LB-Bild-Verfahren
Die beiden Verfahren werden an wenigen Beispielen demonstriert. Wir beginnen mit dem Lastspiel B-Bild Verfahren in einer Ultraschall Transmissionsanordnung [4,5]. In Abb. 2 sind die wichtigsten Informationen für eine Messung an einer CCT Probe zusammengefasst. Zur Erläuterung des LB-Bildes wurden hier die HF-Signale noch als Hardcopy unter das B-Bild gelegt. Die jeweilige Zeitachsen stimmen überein. Zusammen mit dem schematisch rechts neben dem LB-Bild angegebenen Kraftverlauf ergeben sich folgende Beobachtungen: Ausgehend von der verwendeten Maximalkraft verändert sich bei abnehmender Zugkraft das transmittierte Ultraschallsignal zunächst nicht. Beginnend mit F= Fschließ gibt es wesentliche Veränderungen in den A-Bildern; einerseits nehmen die Amplituden zu und andererseits beginnt der Signaleinsatz zunehmend früher, d.h. die entsprechenden Signalwege nehmen ab. Das Verhalten ist bei ansteigenden Kräften - soweit auflösbar - genau symmetrisch.
Abb 2: LB-Bild-Verfahren an einer CCT Probe mit Ermüdungsriss, die Prüfköpfe sind so positioniert, dass der Riss im direkten (ungebeugten) Ultraschalllaufweg liegt.
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Eine konsistente Interpretation dieser Beobachtungen lautet: Für Kräfte F ³Fschließ ist der Riss vollständig geöffnet. Transmission durch den Riss ist nicht möglich, so dass die erfassten Signale Diffraktionseffekte um die Rissspitze darstellen. Bei Fschließ setzt Rissschließen ein. Der geometrische Weg zwischen US-Sender und Empfänger vermindert sich mit weiter fallender Kraft und die Signale verschieben sich in Richtung kürzerer Laufzeiten. Dabei wachsen auch die Amplituden, da die Rissspitze nunmehr von den Prüfköpfen mit zunehmend höherer Intensität angeschallt bzw. empfindlicher detektiert wird (Richtwirkung der Prüfköpfe). Inwieweit bereits auch Anteile direkter Ultraschall-Transmission bei minimaler (Zug-)Kraft vorkommen, erfordert zusätzliche Untersuchungen.
Die Abbildung 4 zeigt die Puls-Echo Anordnung, die in dem Lastwechsel-Differenzverfahren verwendet wurde. Die eingesetzte gebohrte Flachprobe aus einer Aluminiumlegierung (Al-Cu-Mg) besitzt Abmessungen von 250 x 48 x 4 mm³, wobei die Bohrung einen Durchmesser von 8 mm aufwies. Es wurde ein Winkelprüfkopf A5067 mit Einschallwinkel 45° und einer Mittenfrequenz f = 5 MHz verwendet. Der Prüfkopf wurde so angeordnet, dass im Ausgangszustand das Bohrungsecho maximal ist. Die Schwingbelastung erfolgte mit einer Mittenspannung von 11 kN und einer Schwingamplitude von ± 9 kN.
Abb 3: Vergleich zwischen dem Bohrungsecho bei Kraftmaximum und dem Differenzsignal zwischen Maximalkraftecho und Minimalkraftecho; Zustand ohne Ermüdungsriss, alle Signale sind über 512 Zyklen gemittelt.
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Die Abbildung 3 zeigt die Verhältnisse vor Eintreten eines Ermüdungsrisses. Die gemittelten Signale vom Maximalkraftecho unterscheiden sich wenig von denen vom Minimalkraftecho. Die Differenz ist im unteren Teilbild gezeigt. In diesem Fall betrug die Unterdrückung von Formanzeigen [wir bezeichnen hier alle Anzeigen, die nicht von Rissen herrühren als Formanzeigen] 29 dB. Eine derartig große Unterdrückung bestärkt die Hoffnung, dass auch Echos von kleinen Rissen sichtbar werden können.
| Abb 4: Anordnung für das Lastspiel-Differenzverfahren. Die Ergebnisse eines entsprechenden Rissfortschritt-Versuches sind in den Abbildungen 5 und 6 dargestellt. Zunächst ist in Abbildung 5 das Bohrungsecho bei verschiedenen Ermüdungszuständen gezeigt. Hervorgehoben ist die Lastwechselzahl (240.000), bei der erstmals ein von der Bohrung ausgehender Riss an der Probe visuell sichtbar wurde. Signifikante Änderungen in dem Ultraschallsignal ergeben sich erst unmittelbar vor dem Bruch der Probe (247.000 Lastwechsel). Geringfügige Veränderungen kann man in der Zusammenschau der Signale bereits etwas eher erahnen. Sie hängen aber so mit dem Bohrungsecho zusammen, dass sie nicht als selbständige Echos ausgehend von einem einzelnen A-Scan identifiziert werden könnten. |
Abb 5: Bohrungsecho der Probe bei verschiedenen Ermüdungszuständen (in Tausend Lastwechseln);.
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Abb 6: Echodifferenz der Probenbohrung bei verschiedenen Ermüdungszuständen (in Tausend Lastwechseln);.
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Viel günstiger liegen die Verhältnisse in der Echodifferenz (Abb. 6). Hier zeigen sich bereits deutlich vor 240 000 Lastwechseln (Riss an der Seitenfläche der Probe sichtbar) signifikante Zusatzbeiträge in den Signalen, die stetig mit der Lastwechselzahl wachsen. Die genaue Ursache dieser Signalanteile ist nicht ohne weiteres einleuchtend. Simulationen mittels numerischer Verfahren z.B. der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) können hier Aufklärung bringen. Zweifellos ist aber letztendlich ein wachsender Ermüdungsriss für diesen Signalanteil verantwortlich mithin also hierdurch auch detektierbar. Aller Wahrscheinlichkeit ist es aber nicht der optisch als erster wahrgenommene Riss, der sich auf der dem Prüfkopf abgewandten Seite der Bohrung entwickelt hat sondern ein (in der Regel bei ähnlichen Lastwechselzahlen entstehender) Ermüdungsriss auf der dem Prüfkopf zugewandten Seite.
Es wurde gezeigt, dass mit der belastungsabhängigen Aufzeichnung und Verarbeitung von Ultraschall-Messsignalen ein Informationsgewinn erzielbar ist.
Bei Aufnahme von vielen A-Scans über einen Belastungszyklus und Darstellung in Form von LB-Bildern können Informationen über das belastungsabhängige Verhalten eines Risses gewonnen werden. Es fallen dabei bereits pro einzelnem Belastungszyklus große Datenmengen an, die derzeit noch eine aufwendige manuelle Auswertung erfordern. Deshalb eignet sich dieses Vorgehen vor allem für grundsätzliche Untersuchungen z. B. über das Rissschließen an Bruchmechanik-Proben. Es können auf diese Weise Informationen gewonnen werden, die anders nicht oder nur sehr schwer zugänglich sind. Dies betrifft den Rissfortschritt in zeitabhängigen Messungen und insbesondere die Bestimmung der Rissschließkraft.
Aus den LB-Bild Untersuchungen wird zweifelsfrei klar, dass der Rissschließeffekt die Ultraschall-Wellenausbreitung merklich beeinflusst. Um diesen Effekt für schnellere Online-Messungen nutzen zu können, erfolgt in einer zweiten Variante die Aufzeichnung der Ultraschallechos nur im Belastungsmaximum und -minimum. Durch Bildung des Differenzsignals werden die belastungsunabhängigen Formanzeigen weitgehend eliminiert und nur die Differenz der Echoanzeige eines mehr oder weniger geöffneten Risses bleibt erhalten. Die durchgeführten Messungen zeigen als zentrale Ergebnisse:
Im Detail ist die Form der Signale noch ungeklärt, so dass die vorliegenden Ergebnisse als eine Ermunterung für weitere Untersuchungen aufgefasst werden müssen. Besonders hilfreich sollten zusätzliche EFIT-Simulationsrechnungen sein. Damit kann ein besseres Verständnis der Ultraschall-Laufwege gewonnen und infolge dessen die genaue Herkunft der einzelnen Signalbestandteile geklärt werden.
Natürlich ist die Erzeugung der Wechselbelastung in einer Prüfmaschine nur für grundsätzliche Untersuchungen und nicht für Prüfungen im Feld geeignet. Es bietet sich aber an, die Betriebs-Wechselbelastung des Bauteils, die ja zur Ermüdung und dem befürchteten Risswachstum führen kann, für die Messungen zu nutzen. Dort wo dies schwierig ist, beispielsweise bei sehr großen Komponenten wie Flugzeugen, sollte als weitere Möglichkeit die externe Aufprägung der zyklischen Belastung z.B. in Form von niederfrequenten Biegewellen geprüft werden.
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