Von der Auslegung des Prüfkopfes hängt die Geometrie des Schallfeldes und damit der Empfindlichkeitsbereich und die Wellenumwandlungseffekte ab. Der Prüfkopf besitzt eine gute Longitudinalwellenintensität für den Nachweis voluminöser Reflektoren. Die geometrische Reflexion gegenüber senkrecht zur Prüfoberfläche orientierten Reflektoren wird unterdrückt. Die begleitende Transversalwelle wandelt sich an der Gegenoberfläche in eine Longitudinalwelle um und führt in Verbindung mit der direkt ausgesendeten Longitudinalwelle zum sogenannten Nebenecho 1. Die Abb. 4.1 zeigt das "akustische Ersatzbild". Der Prüfkopf eignet sich vorzüglich zur Volumenprüfung, zur Rißspitzendetektion, und zur Klassierung von tieferen Rissen.
Die Arbeitsweise ist ähnlich der des 55°- Prüfkopfs. Durch den größeren Einschallwinkel wird aber je nach Auslegung des Prüfkopfes schon erhebliche Empfindlichkeit an der prüfkopfnahen Oberfläche erreicht. Das Nebenecho 1 ist mit geringerer Empfindlichkeit und größerem Projektionsabstand als beim 55°- Prüfkopf ausgebildet. Zusätzlich bildet sich eine Nebenecho 2- Komponente aus, die sich zum Nachweis von Fehlern an der prüfkopffernen Oberfläche eignet, Abb. 4.1.
Ein Kriechwellenprüfkopf [71] ist dadurch gekennzeichnet, daß sein Keilwinkel dem Grenzwinkel der Totalreflektion für Longitudinalwellen entspricht. Das bedeutet, daß geometrisch bei strenger Gültigkeit des Snellius'schen Brechungsgesetzes die Longitudinalwelle nicht erzeugt werden würde.
Tatsächlich läßt das Snellius'sche Brechungsgesetz bei begrenzten Schallbündeln ein Wellengemisch zu, Abb. 4.2 [120, 168], das aus
- der direkten Transversalwelle (T)
- der direkten Longitudinalwelle (L) (deren Einschallwinkel vom
Verhältnis der Schwingergröße d zur Wellenlänge
abhängt)
- der an der Oberfläche mit Longitudinalwellengeschwindigkeit
entlanglaufenden Kriechwelle (deren Intensität ebenfalls vom
Verhältnis d/ abhängt)
besteht. Außerdem existiert
- eine weitere Transversalwelle, die Kopfwelle (K), deren Schal
laustrittspunkt, (abängig von d/ ) nach vorn versetzt ist.
Verhältnis (> 15). Er erreicht dabei Einschallwinkel der Longitudinalwelle bis ca. 85° und eine hohe Intensität der Kriechwelle.
Der Kriechwellenprüfkopf wird hauptsächlich zur Prüfung des Gebiets direkt an der prüfkopfnahen Oberfläche und des prüfkopfnahen Oberflächenbereichs benutzt (Abb. 4.1).
2.1.4 Wellenumwandlungsprüfköpfe
Insbesondere bei der Prüfung von austenitischen Rohren wird bei der Ultraschallprüfung die Umwandlung [71, 161] von Transversalwellen in Longitudinalwellen oder Kriechwellen auf der dem Prüfkopf gegenüberliegenden Oberfläche ausgenutzt. Diese Prüfmethode hat gegenüber dem Winkelspiegeleffekt Vorteile:
- Sie wird nur wenig durch die Wurzelausbildung der Schweißnaht behindert.
- Kleine Anrisse lassen sich sehr empfindlich nachweisen.
- Es ist möglich, mit Hilfe eines besonderen Strahlenganges die Rißtiefe abzuschätzen.
In Abb. 4.1 sind die beiden Strahlengänge für die sogenannten Nebenecho 1 und Nebenecho 2 dargestellt. Diese Strahlengänge bildet auch ein Kriechwellenprüfkopf aus. Allerdings sind die Nebenechos 1 und 2 des Kriechwellenprüfkopfes bei der Prüfung wegen der hohen Longitudinal- und Kriechwellenintensitäten und der daraus resultierenden zusätzlichen Wellenumwandlungseffekte bei dünnen Rohrleitungen praktisch nur bedingt nutzbar.
Ein Wellenumwandlungsprüfkopf für das Nebenecho 2 arbeitet wie der Kriechwellenprüfkopf beim Grenzwinkel der Totalreflexion der Longitudinalwelle. Der Unterschied zum Kriechwellenprüfkopf liegt im kleineren d/ -Verhältnis von ~ 4.
Das hat zum einen die Folge, daß die Kriech- und Longitudinalwellenintensitäten nur gering sind und zum anderen daß sich die direkte Transversalwelle und die Kopfwelle in einem Schallaustrittspunkt verbinden. Prüfköpfe, die nach diesen Gesichtspunkten konzipiert werden, erlauben eine kleine, handhabungsfreundliche Einschwingerbauweise. Sie verbinden optimale Nebenecho 2- Empfindlichkeit mit dem flächensensitiven Nebenecho 1- Effekt. Sie eignen sich insbesondere zur Prüfung des prüfkopffernen Bereichs der Oberfläche.
Der ADEPT-Prüfkopf1 weicht in der Bauform von den bisher beschriebenen SEL- Prüfköpfen ab; seine Schwinger sind nicht nebeneinander, sondern hintereinander angeordnet. Der Empfindlichkeitsbereich des 3 MHz- Prüfkopfes hat parallele Begrenzungslinien: der Prüfkopf hat also die Charakteristik eines divergenzfreien Winkelprüfkopfes, Abb. 4.3.
Ein breites Einsatzspektrum zeichnet diesen Prüfkopf aus. Er weist im Bereich der Oberfläche eine Empfindlichkeit ähnlich der des Kriechwellenprüfkopfs auf und deckt mit der Longitudinalwelle den Tiefenbereich von 0 mm bis ca. 25 mm ab. Eine ausgeprägte Nebenecho 1- Komponente ermöglicht zusätzlich den flächensensitiven
Nachweis senkrecht orientierter Reflektoren (Abb. 4.1). Die schmale Bauweise des Prüfkopfes erlaubt die Kombination von zwei gegensinnig schallenden ADEPT- Prüfköpfen in einem Gehäuse. Dadurch werden bei der mechanisierten Prüfung Prüfkopfsystemträger eingespart.
1Advanced Dual Element Probe
Technology
Bei den beschriebenen Prüfköpfen handelt es sich nicht um "die" einzig möglichen Prüfköpfe einer Prüftechnik für austenitisches Schweißgut. Die Beschreibung soll nur zeigen, wie unterschiedlich Longitudinalwellenprüfköpfe, insbesondere SEL- Prüfköpfe, gebaut werden können. Die Empfindlichkeitskurven der Longitudinalwellen- Prüfköpfe in Abb. 4.4 verdeutlichen zusätzlich zu den akustischen Ersatzbildern (Abb. 4.1) die unterschiedlichen Eigenschaften der beschriebenen Prüfköpfe. Bemerkenswert sind auch die C-Bilder in Abb. 4.5, die mit vier 70°- SEL- Prüfköpfen an einem Testkörper mit unterschiedlich tiefen Nuten mit einem Flächenabtastgerät aufgenommen wurden. Das Dynamikverhalten der 70°- SEL- Prüfköpfe ist völlig unterschiedlich, weil sich die (in Abb. 4.5 angegebenen) unterschiedlichen Konstruktionsmerkmale auswirken. Longitudinalwellen- Prüfköpfe müssen sorgfältig an das Prüfproblem angepaßt sein (werden).
Abb. 4.5: Nutnachweis mit 70°-SEL-Prüfköpfen