Abstract

Keramische Werkstoffe sind als Konstruktionsmaterialien ein fester Bestandteil des modernen Maschinenbaus. Für einen kostengünstigen Einsatz von Keramik ist es sinnvoll, kritische Fehlstellen möglichst zeitig im Fertigungsprozeß zu erkennen. Der zerstörungsfreien Prüfung kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu. Insbesondere die Ultraschallprüftechnik und ihre speziellen Verfahren bieten die Möglichkeit, Fehler relativ schnell und kostengünstig nachzuweisen.

Schwerpunkt der hier vorgestellten Arbeit ist die Optimierung verschiedener Ultraschallmethoden für die Prüfung keramischer Grünlinge. Das größte Problem liegt hierbei in der Ankopplung des Ultraschalls an das Material. Herkömmliche Methoden, wie die Ankopplung mit Wasser oder Öl entfallen, da sie in jedem Falle zur Eigenschaftsveränderung oder Zerstörung des Grünlings führen. Einen Ausweg bietet hier die Möglichkeit der trockenen Ankopplung. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Verfahren der trockenen Ankopplung, bezogen auf ihre Empfindlichkeit und laterale Auflösung von Defekten, untersucht. In Kontakttechnik ist es sehr schwierig, die laterale Auflösung eines realen Fehlers im Grünkörper zu analysieren. Es werden Untersuchungen vorgestellt, die mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung die Anwendung der Tauchtechnik für die Grünlingsprüfung erlauben. Als weitere Möglichkeit werden Tests mit luftgekoppelten Ultraschallprüfköpfen durchgeführt.
Das Ziel dieser Entwicklungen ist eine flächenhafte Ultraschallprüfung der Grünkörper. Es werden erste Ergebnisse aus der Kombination unterschiedlicher Ankopplungstechniken und Ultraschallparameter erörtert.

Inhalt

1. Trockenankopplung in Ultraschall-Kontakttechnik
2. Ankopplung nach dem Prinzip der Wassersackmethode
3. Luftgekoppelte Ultraschallprüfung
4. Literatur

1. Trockenankopplung in Ultraschall-Kontakttechnik

Für die Ultraschalllaufzeitmessung sind die Form und Amplitude des Eingangsimpulses, die Wahl geeigneter Sende- und Empfangsprüfköpfe sowie eine geeignete Triggerung von besonderer Bedeutung. Die optimalen Gerätekonfiguration und -einstellung richtet sich nach dem Übertragungsverhalten des Werkstoffs. Umgekehrt können daraus Informationen zu den optimalen Gerätekonfigurationen und -einstellungen gewonnen werden, die allein aus empirischen Versuchen nur schwer zu finden sind. Allgemein wächst die erreichbare Genauigkeit der Laufzeitmessung mit größerer Frequenz. Andererseits schwächt der Werkstoff die Ultraschallwellen mit größerer Frequenz stärker.

Kriterien für die Wahl des Sendeimpulses und die Auswahl der Prüfköpfe können aus dem komplexen Frequenzgang des Übertragungsweges Sender-Probe-Empfänger entnommen werden. Der Betrag dieser komplexen Größe ist der Amplitudengang:



(1) Nach Bild 1 sind die Frequenzen mit der geringsten Dämpfung bei 50, 130 und 600 kHz feststellbar. Bei diesen Frequenzen sollte der Sendeimpuls hinsichtlich einer guten Durchschallbarkeit genügend große harmonische Anteile beinhalten.

Bild 1: Empfangsimpulse im Zeit- und Frequenzbereich (FFT) bei verschiedenen Prüfkopfkombinationen - Für FFT: Blackman-Fensterung im Zeitbereich

Bei digitaler Registrierung und einer Sendespannung von ca. 800 V ließ sich eine Meßunsicherheit der Laufzeit von 0,42 µs an SSiC-Proben mit mind. 40 mm Dicke und einer Prüffrequenz von 600 kHz erreichen. Diese Meßunsicherheit wurde im wesentlichen durch die Reproduzierbarkeit in den Ankoppelbedingungen Prüfkopf/ Prüfkörper bestimmt.
Die erzielte Meßunsicherheit an einem Hubel mit 372 mm Länge und einer Prüffrequenz von 50 kHz (Ankopplung an abgetrennten Stirnseiten) betrug 0,27%. Eine weitere Versuchsreihe umfaßte die Einschätzung der Möglichkeiten, welche die Kontakttechnik unter Verwendung konventioneller Prüfköpfe für die Grünlingsprüfung bietet. Es wurde an verschiedenen Prüfkörpern mit mehreren Kontakttechnik-Prüfköpfen gearbeitet. Die Nennfrequenzen der Prüfköpfe lagen bei 1 MHz und 2 MHz. Gemessen wurde mit dem Impuls-Echo-Verfahren.
Als Ultraschallgerät kamen Ultraschallsystem Hillscan 3000 der Fa. Dr. W. Hillger bzw. ein Gerät USIP12 der Fa. Krautkrämer zum Einsatz.

Bild 2 und Bild 3 Bild 2: A-Bild einer in Kontakttechnik georteten 2 mm Sacklochbohrung in 28 mm Tiefe bei einer Wandstärke von 33 mm, Impuls-Echoverfahren, Verstärkung 81dB, Breitbandprüfkopf 1 MHz Bild 3: A-Bild einer SiC-Keramik (Dicke 32mm),Impuls-Echoverfahren, Kontakttechnik, Prüfkopf: Breitbandprüfkopf 1 MHz

Bild 2 und 3 zeigen A-Bilder von in Siliziumkarbid-Grünkörpern eingebrachten Modellfehlern, die bei Untersuchungen in Kontakttechnik aufgezeichnet wurden. Bei den verwendeten Prüfkörpern handelt es sich um einen Stufenkeil und einen mit Sacklochbohrungen versehenen Ring, die aus gepreßten Grünkeramikteilen gefertigt wurden. Der Ring ist mit Sacklochbohrungen unterschiedlicher Tiefe und Durchmesser versehen. Die kleinste noch reproduzierbar zu registrierende Kreisscheibe hatte einen Durchmesser von 2 mm und lag in einer Tiefe von 28 mm.

Bei der Verwendung von Prüfköpfen ohne Schutzschicht ist mit Abrieb der Keramik zu rechnen. Die Oberfläche des Prüflings paßt sich an den Prüfkopf an. Somit konnte bei entsprechend größerem Anpreßdruck ein höheres Ultraschallsignal gegenüber den Prüfköpfen mit einer Schutzschicht erzeugt werden. Die Gefahr der Beschädigung der Probekörperoberflächen ist für die Keramikgrünlinge jedoch gegeben.

Mit Hilfe des Impuls-Echo-Verfahrens in Kontakttechnik wurden die Longitudinalwellengeschwindigkeiten von SiC-Grünkörpern bestimmt, um die Grenzen der möglichen erkennbaren Dichteunterschiede aufzuzeigen. Es wurde ein 1MHz Prüfkopf der Firma Panametrics verwendet. Die kleinsten noch sicher zu unterscheidenden Dichteunterschiede lagen bei 0,017 g/cm^³ für SiC (Bild 4) und bei 0,023 g/cm^³für Al₂O₃.

Bild 4: Ermittlung der möglichen erkennbaren Dichteunterschiede an SiC- Biegestäben

Laufzeitunterschiede, die durch andere Materialien in der Grünkeramik verursacht werden, sind mit Hilfe flächenhafter Abtastung besser erkennbar, als bei der manuellen Kontakttechnik, da dann die Ankoppelbedingungen über den gesamten Prüfbereich annähern konstant gehalten werden können. Aus diesem Grund wurde die Untersuchung weiterer Modellfehler, die durch Verunreinigungen wie Metall- oder Holzspäne, Plaströhrchen oder vorgepreßtes Material erzeugt wurden, schwerpunktmäßig mit Hilfe der Tauchtechnik durchgeführt.

2. Ankopplung nach dem Prinzip der Wassersackmethode

Die Ultraschall-Kontakttechnik läßt kein flächenhaftes Abscannen des Prüfvolumens zu, sondern lediglich eine punktuelle Abtastung. Eine Möglichkeit zur flächenhaften Prüfung der Grünkeramikproben konnte durch die Konstruktion einer nach der Wassersackmethode arbeitenden Vorrichtung verwirklicht werden. (Bild 5)

Bild 5:Tauchtechnikvorrichtung zur Ultraschalluntersuchung keramischer Grünkörper

Die erste Möglichkeit einer Ankopplung an den Püfkörper erfolgt über ein Koppelkissen der Firma Sonotec GmbH Halle. Dieses Koppelkissen ist ein formstabiler elastischer Silikonkörper, welcher die akustischen Eigenschaften von Wasser besitzt. Das Material hat den Vorteil, sich sehr gut an den Prüfkörper anzuschmiegen. Das Koppelkissen bildet mit Hilfe einer Halterung eine wannenförmige Vorrichtung, die auf den Grünkörper aufgelegt werden kann. Die zweite Wassersackvorrichtung wurde unter Verwendung von PE-Folie gebaut. Um eine gute Kopplung zu ermöglichen, wurden Vorrichtung und Prüfkörper mit einer doppelseitigen Klebefolie verbunden. Die jeweilige mit Wasser gefüllte Vorrichtung ermöglicht so die Prüfung in einer Art Tauchtechnik, ohne daß die Grünkeramik-Proben beschädigt werden.

Die Probekörper können nun mit Hilfe einer Scananlage abgetastet werden. Die besseren Prüfergebnisse brachte die zuletzt genannten Vorrichtung mit PE-Folien. Der zwischen der Silikonsack und Probe auftretende Luftspalt und die Dämpfung durch das Siliconmaterial selbst sind so stark, daß derzeit noch keine verwertbaren Echos aus den Grünkeramikproben bei der erstgenannten Prüfvorrichtung erzeugt werden konnten. Vorrichtung und Prüftechnik sollen deshalb optimiert werden.

Bild 6: C-Scan unterschiedlich dichter Biegestäbe Bild 7: Aufzeichnung der Rückwandechoabsenkung einer SiC-Probe mit eingelagertem vorgepreßtem SiC-Pulver Bild 8: Eingelagerte Teflonscheiben in SiC-Scheiben in einer Tiefe von 9 mm simulieren flächige Rißbereiche. es wurde die Amplitude des Fehlerechos beurteilt.

Die in den Bildern 6 bis 8 dargestellten Scanbilder sind das Ergebnis der Tauchtechnikuntersuchungen mit der Wassersackvorrichtung aus PE- Folie. Als Prüfkopf kam ein fokussierender Tauchtechnikprüfkopf mit einer Nennfrequenz von 2,25 MHz zum Einsatz. Als Proben dienten Grünkeramikkörper mit Verunreinigungen, die beim Verpressen eingebracht wurden. Großflächige Defekte (( >10mm) wie z.B. Teflonscheiben, Styroporstreifen oder 1mm dicke Plaströhrchen konnten über die Beurteilung von Fehlerechos gut aufgelöst werden (Bild 8). Fehlerbereiche (( 10mm) mit 2 mm großen Metallspänen, Holzspänen und bereits vogepreßtem Material konnten über die Rückwandechoabsenkung nachgewiesen werden (Bild7). Die Dicke der SiC-Proben betrug 15 mm. In diesen Dickenbereichen sind Einzelfehler mit Ausdehnungen unter 5 mm nicht mehr registrierbar. Es werden weitere Möglichkeiten untersucht, den Luftspalt zwischen Wassersack und Probenkörper zu verringern, um so den Schalleintrag in den Grünkörper zu erhöhen.

3. Luftgekoppelte Ultraschallprüfung

Bild 9 und Bild 10 Bild 9: Signal einer mit 2 kapazitiven Prüfköpfen durchschallten Plexiglas-Probe Bild 10: Ultraschallsignal von 5 mm dicken ungesinterten SiC-Biegestäbe in Durchschallung

Untersuchungen zum Thema Grünlingsprüfung auf dem Gebiet des luftgekoppelten Ultraschalls haben die Anwendung von kapazitiven Schallwandlern zum Gegenstand. [2-6] Die kapazitiven Schwinger arbeiten nach dem Prinzip eines Kondensatormikrophons. [1]
Erste Ergebnisse aus Untersuchungen mit kapazitiven Prüfköpfen sind in den Bildern 9 und 10 zu sehen. Mit den kapazitiven Schwingern wurde in Durchschallung gearbeitet. Die Prüfköpfe waren jeweils 3 mm vom Prüfteil entfernt. Bei dem Prüfling handelt es sich um Plexiglas (Bild 9) und ungesinterte SiC-Keramik (Bild 10).

Die Frequenzanalyse der Ultraschallsignale zeigten, daß die maximalen Amplituden je nach durchschallter Probendicke zwischen 300 und 800 kHz lagen. Die luftgekoppelte US-Prüfung ist daher für die reine Fehlerdetektion z.Z. weniger geeignet, bietet aber die Möglichkeit der flächenhaften Bestimmung der Dichteverteilung an schallweichen Werkstoffen. Die derzeit in Luftkopplung durchschallbaren Materialdicken betragen 10 mm Plexiglas und Siliziumnitrid, bzw. 5 mm Siliziumkarbid. Die Anzeigen aus Siliziumkarbid betragen lediglich 6 dB über dem Grundrauschen.
Die laufenden Arbeiten zielen in Richtung der Erforschung der Möglichkeiten, die sich durch diese Technik ergeben. Ziel weiterer Untersuchungen ist eine flächenhafte Charakterisierung des gesamten Probenvolumens in Durchschallung.

Literatur

1. W. Kuhl, G.R. Schodder, F.-K. Schröder Condenser transmitter and microphones with solid dielectric for airborne ultrasonics Acustica, 4 (1954) 5, S. 519 - 532
   
2. D.A. Hutchins and D.W. Schindel Advances in non-contact and air-coupled transducers IEEE International Ultrasonics Symposium Cannes (1994) S. 1245 - 1260
   
3. H. Carr, W.S.H. Munro, M. Rafiq, C. Wykes Developments in capacitive transducers Nondestr. Test. Eval., 10 (1991) S. 3-13
   
4. D.W. Schindel, D.A. Hutchins, L. Zou, M. Sayer Capacitance devices for the generation of air-borne ultrasonic fields IEEE Ultrasonic Symposium (1992) S. 843-846
   
5. H. Carr, C. Wykes Diagnostic measurements in capacitive transducers, Ultrasonics 31 (1993) 1, S. 13-20
   
6. D.W. Schindel, D.A. Hutchins Capacitance devices for the controlled generation of ultrasonic fields in liquids IEEE Ultrasonic Symposium (1991) S. 301-304

Autoren

Prof. Dr.-Ing. habil. Horst-Dieter Tietz
Rektor der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH)
ordentlicher Professor des Fachgebietes Werkstoffe/ Qualitätsmanagement
Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Dietz
Fachgebietssprecher des FG Werkstoffe/ Qualitätsmanagement
ordentlicher Professor des Fachgebietes Werkstoffe/ Qualitätsmanagement
Dipl.-Ing. Beate May
wissenschaftlicher Mitarbeiter der WSH Zwickau (FH)
FG WS/QM
Email: Beate.May@fh-zwickau.de
Dipl.-Ing. Lutz Bühling
wissenschaftlicher Mitarbeiter der WSH Zwickau (FH)
FG WS/QM

The paper was presented at the DGZfP annual NDT confernce in Dresden in May '97

The Paper was presented on: Focus on Ceramic and Thickness Measurement in UTonline 10/97

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© Copyright 1. Oct 1997 Rolf Diederichs, rd@ndt.net /DB:Article /LG:German /SO:DGZfP /AU:Tietz_H_D /AU:May_ /AU:Dietz /AU:Buehling /CN:DE /CT:UT /CT:ceramic /ED:1997-10