Abstrakt

Inhalt
1. Einleitung
   
2. Anforderungen an Ultraschallprüfköpfe
   
3. Realisierungsmöglichkeiten
   
4. Composite-Schwinger
   
5. Experimentelle Ergebnisse
   
6. Zusammenfassung
   
7. Literatur
   

1. Einleitung

Die Ultraschallprüfung hat sich zu einer bewährten Methode für die Beurteilung von Rohmaterialien, Halbzeugen und Fertigprodukten entwickelt. Die Anforderungen an Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit der Prüfköpfe steigen immer mehr, da nur bei einer Optimierung dieser Parameter eine wirtschaftliche Prüfung möglich ist.

Die bisher im Prüfkopfbau verwendeten Schwingermaterialien erfüllen diese Anforderungen nur bedingt. Zwar gibt es hochauflösende Prüfköpfe, die mit gut zu bedämpfendem Schwingermaterial wie Piezokeramik aus Bleimetaniobat oder piezoelektrischer Polymerfolie hergestellt werden. Diese Prüfköpfe weisen jedoch eine geringe Empfindlichkeit auf, da die akustische Energie zum großen Teil in der Dämpfung absorbiert wird und die verwendeten Schwingermaterialien nur einen niedrigen Wirkungsgrad haben. Andererseits gibt es Prüfköpfe mit hoher Empfindlichkeit, die mit gängiger PZT-Piezokeramik aufgebaut und schwach bedämpft sind. Diese Prüfköpfe haben jedoch aufgrund ihres Konstruktionsprinzips ein geringes Auflösungsvermögen. Prinzipiell läßt sich sagen, daß bei den bisher bekannten Prüfköpfen die Anforderungen an Auflösungsvermögen und Empfindlichkeit immer gegenläufig waren, so daß hier oftmals Kompromisse eingegangen werden mußten.

2. Anforderungen an Ultraschallprüfköpfe

Bei den meisten Aufgaben der Ultraschallprüfung sind zwei Eigenschaften des Ultraschallprüfkopfes von besonderer Bedeutung. Erstens ist eine hohe Signalamplitude erforderlich, um eine gute Durchdringung des zu prüfenden Materials zu erreichen und um gleichzeitig ein rauschfreies Echosignal zu erhalten. Dies ist z.B. besonders bei dickwandigen Bauteilen oder stark schallschwächenden oder streuenden Werkstoffen (austenitischer Stahl, Guß, Verbundwerkstoffe, Kunststoffe etc.) wichtig, da hier oftmals die Grenze der Prüfbarkeit erreicht wird.

Zweitens ist eine kurze Impulsdauer notwendig, um eine gute axiale Auflösung zu erzielen, d.h. um zwei zeitlich dicht aufeinanderfolgende Signale noch getrennt darzustellen. Hierbei kann es sich z.B. um einen kleinen Reflektor dicht unter der Oberfläche des Prüfstücks oder dicht vor dessen Rückwand handeln. Die Prüftechnik soll eine möglichst lückenlose Prüfung des gesamten Volumens - einschließlich des oberflächennahen Bereichs ermöglichen.

3. Realisierungsmöglichkeiten

Zur Analyse, wieweit die oben genannten Anforderungen gleichzeitig realisiert werden können oder sich gegenseitig ausschließen, können wir auf bekannte Verfahren der mathematischen Prüfkopfmodellierung zurückgreifen. Hierfür bietet sich z.B. das KLM-Modell an, das den Prüfkopf in Form einer Vierpolkette bezüglich Echoform und Amplitude sehr gut beschreibt. In das Modell können alle Bestandteile des Prüfkopfs, wie Schwinger, Dämpfung, Anpaßschichten, elektrische Anpassung, ebenso wie die akustische Impedanz des Mediums, in das der Prüfkopf abstrahlt, und die elektrische Impedanz des verwendeten Ultraschallgerätes integriert werden.

Die Modellrechnung zeigt uns, daß die bisher verfügbaren piezokeramischen Schwingermaterialien eine Limitierung für die weitere Verbesserung der Prüfkopfeigenschaften darstellen. Das bedeutet, daß bei einer Verbesserung der Piezokeramik dramatische Verbesserungen in den Prüfkopfeigenschaften zu erwarten sind. Für Tauchtechnik-Prüfköpfe sollte die ideale Keramik folgende Parameter aufweisen:

Eine möglichst hohe Koppelkonstante (kt = 1,0), da diese ein Maß für die Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie ist, also für den Wirkungsgrad der Keramik kennzeichnet.

Eine niedrige akustische Impedanz ähnlich wie Wasser (Z = 1,5 Mrayl), damit die Reflexionsverluste beim Schallübergang zwischen Prüfkopf und Wasser gering bzw. zu null werden.

Eine einstellbare Dielektrizitätskonstante (10 < e < 5000), um die elektrische Impedanz des Prüfkopfes in Abhängigkeit von Schwingergröße und Frequenz optimal an die Ultraschallelektronik anzupassen. Dadurch können sowohl die Impulsform, d.h. die Auflösung, als auch die Amplitude verbessert werden. Abb. 1: Composite-Wandler schematisch

4. Composite-Schwinger

Die Composite-Schwinger stellen eine Weiterentwicklung der piezoelektrischen Keramik dar. Newnham (1) von der Pennsylvania State University, USA, hat hierfür grundlegende Entwicklungsarbeit geleistet. Anstelle der klassischen Keramik wird beim Composite-Schwinger ein Gemisch aus Gießharz und Keramik verwendet, um spezielle Eigenschaften zu verbessern.

Bei der 1-3-Anordnung, die heute überwiegend als Wandlermaterial verwendet wird, handelt es sich um parallel ausgerichtete Keramikstäbchen, die in eine Epoxidharz-Matrix eingebettet sind (s. Abb. 1). Die 1-3-Anordnung wird in der sogenannten Dice-and-Fill-Technik hergestellt. Hierzu werden in eine Platte aus Piezokeramik Sägeschnitte in einer orthogonalen Anordnung eingebracht bis zu einer Tiefe von ca. 80 % der Plattendicke. Die Teilung muß sehr fein sein, typisch z.B. 0,1 mm bei 5 MHz, um Querkopplung zu unterdrücken. Dann werden diese Nuten mit Gießharz ausgefüllt und nach dem Aushärten des Gießharzes wird der noch zusammenhängende Teil der Keramik abgeschliffen. Anschließend werden auf beide Flächen Elektroden aufgebracht und die Composite-Keramik wird polarisiert. Nach dieser Methode lassen sich Platten mit 50 x 50 mm² Abmessungen oder größer herstellen, aus denen dann durch bekannte Methoden wie Sägen, Schneiden oder Lasern eine Vielzahl von Schwingern mit den gewünschten Abmessungen erzeugt werden können.

Im Gegensatz zur konventionellen Piezokeramik können wir die Composite-Keramik nach unseren Vorstellungen modifizieren. Der erste Parameter, den wir beeinflussen können, ist der Füllgrad an Piezokeramik. Abb. 2 zeigt, daß wir den Keramik-Anteil über einen weiten Bereich zwischen 15% und 95% variieren können bei gleichzeitig höherer Koppelkonstante als in der reinen Keramik, die hier als horizontale Linie dargestellt ist. Entsprechend dem Füllgrad läßt sich die gewünschte akustische Impedanz einstellen, ohne daß der Wirkungsgrad verringert wird.

Abb. 2: Koppelfaktor als Funktion des Keramik- Anteils

Mit dem Füllgrad und der richtigen Auswahl des piezokeramischen Grundmaterials läßt sich die Dielektrizitätskonstante der Composite-Keramik ebenfalls in weiten Grenzen einstellen. Man kann daher für jeden Prüfkopf einen Schwinger mit der passenden elektrischen Impedanz einsetzen, so daß Echoform und Amplitude optimiert werden.

Schließlich beeinflußt die Art des verwendeten Gießharzes die mechanischen und akustischen Eigenschaften des Composite-Schwingers. Man kann hier je nach Anwendung harte oder flexible Gießharze verwenden, um so die innere Dämpfung des Schwingers zu verändern. Mit dem Gießharz kann ferner die Querkopplung beeinflußt, d.h. auf einen möglichst niedrigen Wert gebracht werden, um so unerwünschte Schwingungen zu unterdrücken, die die Auflösung verschlechtern. Bei Verwendung eines flexiblen Gießharzes läßt sich der Schwinger mechanisch formen, so daß man leicht gekrümmte Schwinger herstellen kann. Eine Fokussierung des Schallfeldes ist also direkt durch linien- oder punktfokussierende Schwinger möglich, ohne daß zusätzliche Linsen vor dem Schwinger verwendet werden müssen.

Auf der Basis der oben beschriebenen Grundlagen haben wir Composite-Keramik hergestellt und deren Daten vermessen, wie in Tabelle 1 im Vergleich zu konventioneller PZT-Keramik und Folienschwingern aus PVDF dargestellt. Wie Tabelle 1 zeigt, sind wir der oben definierten idealen Keramik in allen Punkten wesentlich näher gekommen. Die akustische Impedanz wurde deutlich erniedrigt (Z < 10 Mrayl), die Koppelkonstante wesentlich erhöht (kt > 0,50) und die Dielektrizitätskonstante liegt im gewünschten Bereich ( 100 < e < 5000). Ferner ist die Querkopplung im Composite-Schwinger geringer als in PZT-Keramik.

Tabelle 1: Typische Daten von piezoelektrischen Materialien
Zusammenfassend ergeben sich folgende positiven Eigenschaften: 1. höhere elektroakustische Effektivität 2. geringe Querkopplung 3. niedrige akustische Impedanz 4. mechanische Flexibilität	Wandlermaterial	1-3 Composite	PZT (P5)	PVDF
	Akust. Impedanz Z [Mrayl]	6,5	29,3	3,9
	Koppelkonstante kt	0,65	0,47	0,15
	Querkopplung kp	0,20	-0,59	<0,1
	Transmissionskoeffizient (Plexi) T°	0,884	0,355	0,990
	Effektivität Impuls-Echo n [dB]	16	0	-31
	Dielektrizitätskonstante e	100 - 5000	900	12
	Max. Temperatur [°C]	150	300	80

5. Experimentelle Ergebnisse

Da die Dice-and-Fill-Technik sehr aufwendig und kostenintensiv ist, mußte eine spezielle Fertigungstechnologie aufgebaut werden, um die Composite-Schwinger zu akzeptablen Kosten herstellen zu können. Diese Technologie steht heute in unserer Firma zur Verfügung, so daß wir Composite-Schwinger überall dort einsetzen können, wo sich deutliche Verbesserungen der Prüfköpfe ergeben. Da wir die Schwinger selber herstellen, können wir sie auf die jeweilige Anwendung zuschneiden und sind damit unabhängig von fest vorgegebenen Materialien externer Lieferanten.

Die genannten Eigenschaften des Composite-Materials bringen spezielle Vorteile bei der Ankopplung des Schwingers an schallweiches Material. Dies betrifft insbesondere Prüfköpfe mit Kunststoffvorläufen oder für Tauchtechnik und medizinische Anwendungen. Diese können mit hoher Empfindlichkeit und gleichzeitig guter Bedämpfung gebaut werden, wobei außerdem der Aufwand für die mechanische Bedämpfung des Prüfkopfes reduziert wird.

Als praktisches Anwendungsbeispiel an einem 2 MHz Winkelprüfkopf wurde einmal ein PZT-Schwinger und zum anderen ein Composite-Schwinger direkt auf einen Keil ais Plexiglas aufgeklebt. In beiden Fällen wurde keine akustische Anpassung zwischen Schwinger und Keil und keine Dämpfung hinter dem Schwinger verwendet. Aus Abb. 3 sind die Vorteile des Composite-Schwingers deutlich ersichtlich: Während der PZT-Schwinger ein unakzeptabel langes Signal erzeugt, erhalten wir mit dem Composite-Schwinger einen kurzen Impuls, der außerdem noch eine um ca. 8 dB höhere Empfindlichkeit aufweist.

Bei einem weiteren Beispiel handelt es sich um einen 4 MHz Longitudinalwellen Winkelprüfkopf WSY70-4, der üblicherweise zur Prüfung von austenitischem Material eingesetzt wird. Wegen der starken Schallabsorption und Streuung ist hier eine hohe Signalamplitude des Prüfkopfes unbedingt erforderlich und es werden kurze Impulse benötigt, um störende Streuanzeigen klein zu halten. Wie Abb. 4 zeigt, bringt der Prüfkopf mit dem Composite-Schwinger eine um 12 dB höhere Amplitude als der Bleimetaniobat-Schwinger. Gleichzeitig hat der Composite-Prüfkopf eine höhere Auflösung, die Bandbreite beträgt 90 % gegenüber 70 % beim bisher verwendeten Schwinger.

Abb. 3: Vergleich zwischen herkömmlichem PZT-Keramikschwinger (links) und 1-3-Composite-Schwinger (rechts) auf einem Plexiglaskeil


Abb. 4: Vergleich zwischen Bleimetaniobat-Schwinger (links) und Composite-Schwinger (rechts) für einen Prüfkopf WSY70-4


Für Tauchtechnikprüfköpfe ergeben sich ebenfalls wesentliche Verbesserungen beim Einsatz von Composite-Schwingern, wie das dritte Beispiel zeigt. In Abb. 5 wird ein 2 MHz Prüfkopf Z2K mit 10 mm Schwingerdurchmesser einmal mit klassischem PZT-Schwinger und zum anderen mit Composite-Schwinger bezüglich Echoform und Spektrum verglichen. Das Echo des Composite-Prüfkopfes ist um 11 dB höher und dabei deutlich kürzer als beim PZT-Prüfkopf, was sich auch an der von 45 auf 76 % erhöhten Bandbreite ablesen läßt.

Abb. 5: Echoform (oben) und Spektrum (unten) für einen 2 MHz Tauchtechnik- Prüfkopf mit PZT-Schwinger (links) und Composite-Schwinger (rechts)

6. Zusammenfassung

Prüfköpfe mit Composite-Schwingern sind ein wesentlicher Fortschritt für die Ultraschallprüfung. Wie die obigen Beispiele zeigen, können die Vorteile wie höherer akustischer Wirkungsgrad, geringe Querkopplung, gute innere Dämpfung, niedrige akustische Impedanz und mechanische Flexibilität zur Verbesserung der Prüfkopfeigenschaften genutzt werden; insbesondere resultieren daraus hohe Empfindlichkeit und gleichzeitig gute Bedämpfung.

Solche breitbandigen Prüfköpfe mit hoher Durchdringungsfähigkeit eignen sich besonders zur Prüfung von Kunststoffen, Verbundwerkstoffen, Guß, Austenit und anderen stark schallschwächenden Materialien. Je nach Prüfproblem weisen Composite-Prüfköpfe zwischen 3 und 20 dB mehr Empfindlichkeit und einen deutlich kürzeren Schallimpuls auf als vergleichbare Prüfköpfe mit klassischer Piezokeramik. Wegen ihrer niedrigen akustischen Impedanz sind Composite-Schwinger besonders vorteilhaft bei allen Prüfköpfen mit Vorlaufstrecken aus Kunststoff, wie SE-Prüfköpfe oder Winkelprüfköpfe, und bei Tauchtechnikprüfköpfen. Insbesondere für automatische Prüfanlagen ist der Einsatz von Composite-Prüfköpfen vorteilhaft, da hier häufig hohe Empfindlichkeit bei extremer Auflösung gefordert wird. Bei Array-Prüfköpfen und sog. Breitstrahler-Prüfköpfen wird der Aufbau mit Composite-Schwingern wesentlich einfacher, da hier eine leichte Bedämpfung ausreicht, um hochauflösende Signale zu erzeugen. Der Prüfkopf wird damit leichter und weniger anfällig gegen anlagentypische thermische und mechanische Schockbelastung.

Composite-Schwinger sind heute wirtschaftlich herzustellen, wenn wie oben beschrieben die erforderliche Technologie zur Verfügung steht. Die höheren Kosten des Schwingers werden teilweise durch einfachere Fertigung des gesamten Prüfkopfes ausgeglichen. Daher wird der Composite-Schwinger überall dort eingesetzt, wo die technischen Vorteile offensichtlich sind. Nicht jeder Prüfkopf muß jedoch breitbandig sein. Eine reproduzierbare Fehlerbewertung nach der AVG-Methode erfordert im Gegenteil schmalbandige Prüfköpfe, so daß hierfür die auf dem Markt befindlichen Prüfköpfe mit klassischer Piezokeramik weiterhin ihre Anwendung finden.

7. Literatur

R.E. Newnham et al., Composite piezoelectric transducers, Mater. Eng., Bd. 2, S. 93 - 106 (1980)

Autor

32KB Dr. Gerhard Splitt, geboren 1943, studierte Physik an der Universität Hamburg und promovierte dort 1975 auf dem Gebiet der Festkörperphysik. Von 1969 bis 1975 war er wissenschaft licher Mitarbeiter am Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg. Seit 1976 ist er als Leiter der Prüf kopfentwicklung bei der Firma Krautkrämer in Hürth bei Köln tätig.
E-mail: Gsplitt@krautkramer.de

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