Abstrakt

Einschlüsse und andere Inhomogenitäten in Kupfer-Stahl-Sprengplattierungen für den Hochvakuumeinsatz in einem Synchrotron-Speicherring sind zuverlässig mit der Ultraschallprüfung in Tauchtechnik nachweisbar. Ein fokussierter 25 MHz-Prüfkopf erkennt in Impuls-Echo-Technik Fehler bis hinunter zum Kornrauschen, das im vorliegenden Fall einer Ersatzreflektorgröße von 0,2 mm entspricht. Viele natürliche Fehler werden ausschließlich durch die Abschattung des Rückwandechos detektiert.

Inhalt
• Prüfobjekt: Absorberschiene im Synchrotron-Speicherring
• Prüfproblem: mangelhafte Plattierung
• Die Prüfbedingungen
• Die Befunde
• Schlußfolgerungen
• Literatur

Prüfobjekt: Absorberschiene im Synchrotron-Speicherring

Am Wissenschaftsstandort Berlin-Adlershof wird derzeit die zweite Berliner Elektronen-Speicherring-Anlage, BESSY-II, errichtet. Darin werden Elektronen auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf einer polygonalen Ringbahn über viele Stunden gespeichert. In den Ablenkmagneten emittieren sie sogenanntes Synchrotronlicht, das den Wellenlängenbereich vom Infraroten bis zur Röntgenstrahlung bei hoher Intensität abdeckt. Dadurch eignet es sich für eine Vielzahl physikalischer und materialwissenschaftlicher Untersuchungen. Aufgrund der hochrelativistischen Geschwindigkeit der Elektronen wird die Strahlung bei jeder Umlenkung in einem flachen Fächer bezogen auf die Ringebene abgegeben. Weitgehend gelangt sie in ein tangential verlaufendes Strahlrohr, in welchem sie zu einem Monochromator und den nachgeschalteten Experimenten geführt wird. Der Teil der Strahlung, der nicht auf diese Weise nutzbar gemacht werden kann, trifft auf die Wand der Vakuumkammer. Da zur Erreichung einer möglichst hohen Intensität der Nutzstrahlung mit hohen Strömen und Leistungsdichten gearbeitet werden muß, ist auch die Kammerwand in der Ringebene einer intensiven Bestrahlung mit hoher Leistungsdichte ausgesetzt. Um diese Verlustenergie abzuführen, wird ein um die Ringkammer umlaufender Kühlwasserkanal im Bereich des Normaldrucks benötigt, der durch eine nur dünne Wandung mit einem Absorberstreifen im Hochvakuumbereich innig und vollständig verbunden sein muß. Der Absorber besteht wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit aus hochreinem Kupfer (Bild 1).

Bild 1. Querschnitt durch die spengplattierte Absorberschiene. Die Kontur bei der Ultraschallprüfung ist rechteckig; erst nach der Ultraschallprüfung werden der Kühlkanal und die Anschweiß-Enden freigefräst.

Prüfproblem: mangelhafte Plattierung

Ist die Bindung zwischen dem Kühlkanal aus Edelstahl (VA) und dem Absorber aus Kupfer zum Beispiel aufgrund von Einschlüssen mangelhaft, so besteht durch lokale Überhitzung in Verbindung mit den verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizenten der verbundenen Werkstoffe die Gefahr der Zerstörung der Vakuumkammer. Ferner wird die Fügeschicht zwischen Edelstahl und Kupfer verfahrensbedingt angefräst, um die verbundenen Schienen in die Vakuumkammer einschweißen zu können. Befinden sich Bindefehler darin, so werden diese durch das Fräsen zum Vakuum hin geöffnet (Bild 1). Bei den niedrigen Enddrücken des Ultrahochvakuums zeigen jedoch selbst kleine Hohlräume ungünstiges Verhalten in Form verlängerter Ausgasungs- und Abpumpzeiten, man spricht von "virtuellen Lecks". Diese wirken besonders störend, wenn sie zahlreich, langgestreckt oder verzweigt sind. Im Ergebnis führt das zu einer Verringerung des erzielbaren Endvakuums, was direkt die injektionsfreie Betriebsdauer des Speicherrings herabsetzt. Für den vorliegenden Fall wird als Fügetechnik zwischen Kupfer und Edelstahl die Sprengplattierung gewählt, was im weltweiten Vergleich derartiger Anlagen eher die Ausnahme darstellt. Die ganzflächige Verlötung hat jedoch häufig zu Problemen mit virtuellen Lecks geführt.

Die Prüfbedingungen

Die jeweils 5 mm dicken Bleche aus Edelstahl beziehungsweise Kupfer werden in großen Tafeln sprengplattiert und vor der Ultraschallprüfung in Schienensegmente mit rechteckigem Querschnitt und ca. 1 m Länge geschnitten, allseitig glatt überfräst und gerichtet. Die Absorberschiene umfaßt nach dem Einbau den gesamten Umfang der Vakuumkammer, und hat damit eine Gesamtlänge von über 100 Metern (in Abschnitten von knapp einem Meter) bei einer Breite von 14 mm (Stahl) beziehungsweise 10 mm (Kupfer). Aufgrund der großen Länge der Absorberschiene müssen bereits kleine Inhomogenitäten (>0.5 mm), die als virtuelle Lecks fungieren könnten, ausgeschlossen werden. Daher wird sie einer mechanisierten 100%-Prüfung in Tauchtechnik mit einem fokussierenden 15-MHz-Prüfkopf (2'' Fokusabstand) unterzogen. Typische Schrittweiten (Meßrasterweiten) der flächigen Abtastungen (C-Bilder) liegen bei 0,2 mm. Überwacht werden dabei einerseits die Amplitude eventueller Echos in der Fügeschicht (Impuls-Echo-Technik, IE), und andererseits die Höhe des Rückwandechos (RWE), siehe Bild 2.

Bild 2: Aufbau der Tauchtechnikprüfung bei Auswertung des Zwischenechos und des Rückwandechos

Zur Feststellung der Nachweisempfindlichkeit und der Abschätzung des Signal-Rausch-Abstandes wird ein Testkörper hergestellt und einer Ultraschallprüfung unterzogen, der über eine Serie von Flachbodenbohrungen (FBB) verfügt. Diese Bohrungen sind von der Stahl-Seite aus eingebracht und reichen gerade bis in die Grenzschicht. Die Durchmesser der Bohrungen reichen von 1 mm bis hinab zu 0.2 mm. Geprüft wird mit einem 25-MHz-Kopf mit 2'' Fokus bei Fokussierung in der Grenzschicht. Die Schrittweite beträgt hier 0.1 mm.

Die Befunde

Bild 3 zeigt die Ultraschallergebnisse dieser Serie von Flachbodenbohrungen, beginnend mit 1 mm Durchmesser (links) bis 0,2 mm Durchmesser (rechts). Oben ist die Echoamplitude aus der Fügeschicht mit den Reflexionen von den Flachbodenbohrungen wiedergegeben, unten ist die Höhe der Rückwandechoamplitude mit deren Abschattung durch die Flachbodenbohrungen sichtbar. Eine quantitative Bewertung des Signal-Rausch-Abstandes ergibt für die Impuls-Echo-Methode Werte von 10 dB und mehr, bei der RWE-Abschattung liegen sie bei 16 dB und darüber (jeweils für die 0,2 mm-Bohrung).

Bild 3. Ultraschall-Abbildung eines Testkörpers mit Flachbodenbohrungen von 1.0 bis 0.2 mm Durchmesser. Echo aus der Fügeschicht (oben), Amplitude des Rückwandechos (unten)
Sprengplattierungen weisen aufgrund der Prozeßdynamik in der Regel eine Wellung (ripples) der Fügeschicht auf. Das Vorhandensein dieser Wellung kann als Qualitätskriterium der Sprengplattierung herangezogen werden. In Bild 3 macht sich diese Welligkeit nur in Form von Schwankungen des Rückwandechos bemerkbar (unten), ohne jedoch selbst Reflexionen zu erzeugen (oben).

Bild 4 zeigt die 0,2-mm-Bohrung einmal in Impuls-Echo-Technik (oben) und einmal als Rückwandecho-Abschattung. Beide Darstellungen bilden den Testfehler ähnlich gut ab, wobei wieder bei der Rückwandecho-Methode die Grenzschicht-Welligkeit erkennbar wird.

Bild 4. 0,2 mm Flachbodenbohrung: Echo aus der Fügeschicht (oben) und in Rückwandecho-Abschattung (unten)

Bild 5 zeigt die 0,4-mm-Bohrung zusammen mit einem natürlichen Fehler. Wieder ist in der oberen Bildhälfte das Echo aus der Grenzschicht und in der unteren das Rückwandecho gezeigt. Die runde Anzeige in beiden Bildhälften links wird von der Bohrung erzeugt, während es sich bei der Anzeige rechts in beiden Bildhälften um einen natürlichen Fehler handelt. Während die Flachbodenbohrung in beiden Techniken ähnlich gut abgebildet wird, ist das Erscheinungsbild des natürlichen Fehlers je nach Methode recht unterschiedlich. Um eine bessere Einschätzung für die methodenabhängige Nachweisfähigkeit realer Fehler zu entwickeln, werden - von der Kupferseite aus - weitere Testfehler unterschiedlicher Art eingebracht: funkenerosiv hergestellte Sacklöcher mit angenäherter Kugelbodenform und Durchmessern von 0,12 und 0,21 mm, Kegelbohrungen von 0,3 mm Durchmesser ferritische Einschlüsse (Stahl) mit konischer Spitze, 0,3 mm Durchmesser

Bild 5. Echo aus der Fügeschicht (obere Bildhälfte) und Rückwandecho-Abschattung (untere Bildhälfte): 0,4 mm Flachbodenbohrung (rund, links), natürlicher Fehler rechts

Bild 6 zeigt diese Inhomogenitäten in Impuls-Echo-Technik (oben) und Rückwandecho-Abschattung (unten). Nur die Stahleinschlüsse erzeugen ein Echo, während alle übrigen Testfehler sich lediglich in Form einer Rückwandecho-Abschattung bemerkbar machen, ohne selbst ein erkennbares Echo zu erzeugen.

Bild 6. Verschiedene Testfehler, in Impuls-Echo-Technik (oben) und in Rückwandecho-Abschattung (unten)

In Bild 7 ist ein B-Bild durch die 0,4 mm Flachbodenbohrung dargestellt. Zwischen Eintritts- und Fehlerecho ist das im Vergleich zum Stahl höhere Kornrauschen aus dem Kupfer zu erkennen und im Rückwandecho (unten) die Ripples sowie die Abschattung durch den darüber liegenden Reflektor.

Bild 7. B-Bild (senkrechter Schnitt) durch die 0,4 mm- Flachbodenbohrung; oben das Echo des Schalleintritts, unten das Echo der Rückwand. Im unteren Drittel liegt das Echo der Bohrung

Bild 8 schließlich zeigt das Fehlerecho (oben) und die Rückwandecho-Abschattung (darunter) eines großen realen Fehlers in einem der sprengplattierten Streifen, gemessen mit 15 MHz. Derart große Fehlstellen führen zum Aussondern der entsprechenden Bauteil-Abschnitte. Als Bezugsreflektor wird eine 0,5 mm-Flachbodenbohrung gewählt. Die Zulässigkeitsgrenze wird auf Bezugsreflektorhöhe, die Registrierflichtigkeit auf Bezugsreflektor minus 6 dB festgelegt, also auf eine Reflektivität von 50 % des Bezugsreflektors.

Bild 8. Realer Fehler in Echotechnik (oben) und Rückwandecho-Abschattung (unten), aufgenommen mit einem 15 MHz-Fokusprüfkopf

Schlußfolgerungen

Einschlüsse und andere Inhomogenitäten in einer Sprengplattierung sind mit konventioneller Gerätschaft, - serienmäßigem fokussierendem Tauchtechnikprüfkopf mit 15 bis 25 MHz Mittenfrequenz und entsprechendem Ultraschall-Gerät-, bis zu einer Ersatzreflektorgröße von 0,2 mm durch 5 mm Austenit beziehungsweise Kupfer hindurch gut nachweisbar. Neben der Registrierung von Fehlerechos muß auch das Rückwandecho ausgewertet werden, da viele natürliche Fehler aufgrund ungünstiger Orientierung oder Oberflächenbeschaffenheit sich nur durch eine Abschattung des Rückwandechos bemerkbar machen.

Literatur

1. Yuheng, Li; Deming, Shu; Tuncer M. Kuzay: Explosion Bonding of Dissimilar Materials for Fabricating APS Front End Components. Advanced Photon Source, Argonne, National Laboratory, June 1994
2. Samal, P. : The Metal Science Of Joining. Proceedings of TMS lnternational Symposium, 296 (1991)
3. Anderson, D. et al.: Explosive Welding. The Welding Institute, Cambridge, Eng- land, 1976
4. Kleven, St.: Ultrasonic Inspection of Explosion Welded Titanium Clad Plate. Materials Evaluation Vol. 54 Nr.5, May 1996
Wir bedanken uns beim Carl Hanser Verlag, München, für die Wiedergabe dieses Artikels, zuerst erschienen in Materialprüfung 1996 Vol 38 Nr.10.

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