Ein Schwerpunkt lag auf der Bewertung der Prüfbefunde. Es soll bei der Ultraschallprüfung die Auffindwahrscheinlichkeit von Volumenfehlern untersucht werden [1, 2].
Für die Praxisanwendung ist die Prüfung so auszulegen, daß die Erlangung der notwendigen Informationen zur Gefügecharakterisierung in einer den Anwendungsbedingungen angepaßten Form realisierbar ist und eine unkomplizierte Bauteilprüfung ermöglicht wird.
Bei der Wirbelstromprüfung ist es mittels Sonden kleiner Spurbreite nötig, die Nachweisbarkeit und eine exakte Ortung der Fehler zu verbessern.
Eine Automatisierung sowie eine Steigerung der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Prüfung ist mit Hilfe der Scan-Technik und Darstellung von C-Bildern möglich. Dadurch wird auch der subjektive Fehleranteil wesentlich gesenkt.
Entsprechend den technologischen Herstellungsbedingungen und Aufbau der faserverstärkten Leitmetalle treten verschiedene Fehlerarten auf:
Unter ungünstigen Bedingungen können diese Fehlerarten zu einer erheblichen Festigkeitsreduzierung führen, was in letzter Konsequenz zur Zerstörung des Bauteils fuhren kann. |  FehlerartenAbb 2. Shot Abb 3. Pore Abb 4. Delamination Abb 5. faserfreies Gebiet Abb 6. Faserkonzentration Abb 7. abgetauchte Faser |
Der Antrieb erfolgt über Schrittmotore und erlaubt eine Positioniergenauigkeit von 10 µm. Durch Kombination mit fokussierenden Prüfköpfen wird eine hohe laterale Auflösung sowie eine hohe Dynamik, welche für die Prüfung von faserverstärkten Materialien erforderlich ist [4], erreicht. Das Prüfsystem besitzt eine hohe Ausgangsspannung sowie eine kurze Anstiegszeit des Impulses. Dadurch ist es in Verbindung mit fokussierenden PVDF-Folienschwingern bei stoßartiger und damit breitbandiger Anregung möglich, kleine Fehlstellen in stärker schallschwächenden Medien festzustellen [5].
Für die Untersuchung wurden fokussierende Longitudinallwellenprüflköpfe mit einer Nennfrequenz von 2,5 MHz in Immersionstechnik (Wasser) verwendet.
Wird über den Ortskoordinaten x und y der Abtastebene ein Punkt C aufgetragen, der aus der Amplitude A des Ultraschallimpulses erzeugt wurde, so bildet die Gesamtheit der Punkte ein C-Bild C = f (x, y, A). Die Amplitude wird bei der von uns verwendeten Anlage zur besseren Interpretation der Fehlergröße herangezogen.
Trägt man als Bildinformation einen Punkt D auf, der aus der Laufzeit tz eines Echoimpulses resultiert, so erhält man aus all diesen Punkten ein D-Bild D = f (x, y, tz) [5]. Die digitalisierte Laufzeit tz wird in unterschiedlichen Farben dargestellt. Der Vorteil des hier benutzten D-Bilds besteht darin eine anschauliche Information über die Fehlertiefe zu erhalten.
3.1.I Fehlernachweis:Bestimmung des Auflösungsvermögens mittels TestkörperDie Bestimmung des Auflösungsvermögens eines Prüfsystems wird an Hand von Testkörpern bekannten Fehlergroßen und Fehlerarten durchgeführt. Dazu wurde ein Körper mit 12% Saffil verwendet. Die künstlichen Kreisscheibenfehler, die im Bereich von 50 µm bis 400 µm lagen, wurden mittels einer Mikrobohrung in das Material eingebracht. Der kleinste nachweisbare Fehler hatte einen Durchmesser von 100 µm. Das entspricht bei einer Frequenz von 25 MHz einem d/Wellenlänge Verhältnis von 0,3. Der Quotient d/Wellenlänge ist das normierte Verhältnis zwischen dem äquivalenten Kreisscheibendurchmesser (Fehlergröße) und der Wellenlänge. Das Verhältnis ermöglicht einen besseren Vergleich zwischen den Fehlern, und es ist ein wellenphysikalisch fundiertes Verhältnis, da der Übergang vom Reflexionsverhalten (gute Fehlernachweisbarkeit) zum Streuverhalten (schlechte bzw. keine Nachweisbarkeit) der Ultraschallwellen von der Fehlerabmessung abhängig ist. | |
Shots Der Nachweis von Shots wurde an fiberfraxverstärkem Material vorgenommen. Die Untersuchungen zeigten, daß mit zunehmender Tiefenlage bis hin zum Fokuspunkt die Fehlererkennung zunimmt. Weiterhin ist eine Verkleinerung des d/Wellenlänge Verhältnisses und damit eine Verbesserung der Fehlererkennbarkeit zu beobachten. Die Ursachen liegen in der Verwendung des fokussierenden Prüfkopfs. Dieser erreicht im Fokuspunkt das Maximum des Schalldrucks, das zur verbesserten lokalen Fehlererkennbarkeit führt. Um eine vergleichbare Größenaussage zu erhalten, wurde der äquivalente Kreisscheibendurchmesser eingeführt. Hierbei wird die reale Fehlerfläche in einen Kreisscheibendurchmesser umgerechnet. Der kleinste nachweisbare Shot hatte bei einer Prüffrequenz von 25 MHz und einer Filterfrequenz 25 MHz einen äquivalenten Kreisscheibendurchmesser von 121 um (Abb. 8), wobei der Fehler im Fokusbereich des Prüfkopfes lag. |  Abb 8.C-Bild mit Shots. |
Eiseneinschlüsse Für die Untersuchungen von Fremdeinschlüssen wurden Modellfehler aus Eisen eingebracht. Bei den Eiseneinschlüssen handelt es sich um Eisendrähte mit einer Länge zwischen 10 mm und 16 mm. Die Durchmesser waren in Größen von 100 µm, 200 µm, 300 µm und 500 µm gestaffelt In Abb. 9 ist ein Eiseneinschluß mit einem Durchmesser von 200 µm zu sehen |
 Abb. 9. C-Bild eines Eiseneinschluß |
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Faserkonzentrationen Der Nachweis von Faserkonzentrationen gestaltet sich äußerst schwierig. Für den Nachweis der Faserkonzentrationen hat nicht nur die Fehlergröße, sondern auch deren Dichte einen entscheidenden Einfluß Um eine genauere Aussage über den Fasergehalt zu erhalten, wurde das metallographische Auszählverfahren angewendet Aus den Ergebnissen läßt sich schlußfolgern, daß eine örtliche Faserkonzentration nur dann nachweisbar ist. wenn ein Fasergehaltsunterschied von ca. l0% zum durchschnittlichen Fasergehalt gegeben ist. Die Größe der kleinsten nachweisbaren Faserkonzentration betrug 340 µm (Abb. 10). |  Abb. 10. C-Bild einer Faserkonzentration |
Delamination Die Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, daß ab einem Faseranteil von mindestens 35% Delaminationen nachweisbar sind (Abb. 11). |
Abb. 11. C-Delamination
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Faserfreie Gebiete
Die Resultate lassen erkennen, daß ein Nachweis von faserfreien Gebieten schwierig ist Ursache hierfür ist der relativ kleine Unterschied der Reflexitionfaktoren an der Grenzfläche dieses Fehlers bzw. der fehlerfreien Matrix zum Wasser. Durch Auswertung des Einkoppelechos konnte die faserfreie Zone an einem bereits optisch deutlich erkennbaren Fehler wiedergegeben werden (Abb. 12).
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Abgetauchte Fasern Der Nachweis von abgetauchten Fasern erfolgte durch Anwendung des D-Bild-Verfahrens Dabei wird von der Annahme ausgegangen, daß die Schallaufzeit infolge der abgetauchten Fasern beeinflußt wird Dies wurde an einer Aufnahme mit einem Bereich erhöhter Anhäufung abgetauchter Fasern nachgewiesen.
3.1.2 Einluß der Oberflächenrauhigkeit auf die Nachweisbarkeit von Shots Die Form und Rauhigkeit der Oberfläche spielen bei der Ultraschallprüfung eine entscheidende Rolle. Sie begrenzen die Empfindlichkeit des Verfahrens, so daß ggf. eine Oberflächenbearbeitung vor der Prüfung erforderlich wird. Bei der Ultraschallprüfung ist zur gleichmäßigen Echobeurteilung eine gleichmäßige Oberflächengüte erwünscht. Aufgrund der kleinen Wellenlänge der Ultraschallwellen findet eine verstärkte Wechselwirkung mit der Oberfläche statt. Durch größere Rauhtiefen erfolgt eine vermehrte Streuung an der Oberfläche des Bauteils. Dies führt zu Streuverlusten, die letztendlich zu Energieverlusten im Material führt. Die Nachweisbarkeit kleinerer Fehlstellen wird dadurch maßgeblich beeinflußt. Verstärkt wird der Einfluß der Rauhigkeit weiterhin durch den Einsatz eines stark fokussierenden Prüfkopfes hoher Nennfrequenz. Die Untersuchungen ergaben, daß die Nachweisbarkeit ab einer Rauhigkeit von ca. Rm= 18 µm deutlich nachläßt (Prüffrequenz 25 MHz, Filterfrequenz 25 MHz). |
3.1.3 Statistische Untersuchungen zum Nachweis von Shots mittels Ultraschall
| Für die Untersuchungen wurde eine Probe mit 20 % Fibrefrax-Fasern und ein fokussierender Prüfkopf IAP-F 25.3.1 mit einer Arbeitsfrequenz von 21 MHz und einer Filterfrequenz von 25 MHz verwendet.
Im Bild 1 sind die mit Ultraschall nachgewiesenen Shots, denen mittels Metallografie in insgesamt 8 Größenklassen nachgewiesenen Shots, gegenübergestellt, wobei die Klassenbreite 30 µm betrug [1, 2]. Da die Nachweisbarkeitsgrenze dieser Fehler für Ultraschall bei ca. 120 µm lag, wurden für die statistische Untersuchungen nur Shots ab 90 µm herangezogen. Auffällig ist, daß bei der Größenklasse zwischen 121 µm und 150 µm eine scheinbare Verbesserung der Nachweiswahrscheinlichkeit vorliegt. Die Fehler dieser Größenklasse liegen fast ausschließlich im Tiefenbereich bis 2 mm. Da sich der Fokuspunkt ebenfalls in dieser Tiefe befand, lagen für den Nachweis dieser Fehlergrößenklasse bessere Bedingungen vor. Ein statistisch gesicherter Nachweis ist somit ab ca 200 µm möglich. |  Abb 15: Gegenüberstellung der metallografisch gefundenen Fehler mit den durch Ultraschall nachgewiesenen Fehlern. |
3.1.4 Fehlerbewertung an Hand der Echoamplituden
Als bisher bekanntestes Mittel zur Größenbestimmung dient das AVG-Diagramm bzw. die daraus entwickelten Vorsatzskalen. Auf diese Problematik soll hier aber nicht näher eingegangen werden, da dieses Verfahren in der Literatur ausführlich abgehandelt wurde [6, 7]. Die weiteren Untersuchungen basieren auf Ansätzen die unter bestimmten Bedingungen eine Fehlergrößenabschätzung mittels Echohöhen unter Beachtung der Bedingungen für fokussierende Prüfköpfe erlauben. Die Untersuchungen wurden mit einem fokussierenden Prüfkopf durchgeführt. Die Filterfrequenz betrug 25 MHz. Das Untersuchungsmaterial bestand aus einer fibrefraxverstärkten Aluminiumlegierung mit einem Fasergehalt von 20%. Die zu untersuchende Probe wies mehrere Fehlstellen auf. Um eine Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erreichen, ist es nötig, den Prüfkopf an einem Probekörper mittels Referenzecho zu kalibrieren. Es zeigte sich, daß bei den ermittelten Echohöhen eine Korrelation zwischen Echohöhe und Fehlergröße vorhanden ist. Diese Aussage trifft jedoch nur für den Bereich zu, bei welchem der Fehler im Fokuspunkt bzw. bis 0,6 mm im Fernfeld liegt (Feld hinter dem Fokuspunkt in Ausbreitungsrichtung). Im Bereich größer als 0,6 mm treten Interferenzen auf, die das Ergebnis verfälschen. Eine genaue Zuordnung der Fehlergrößen ist damit nicht mehr möglich.
Das Blockschaltbild der neu aufgebauten Wirbelstrom-Scan-Anlage ist in Bild 16 dargestellt.
Das Herzstück der Anlage ist das mikroprozessorgesteuerte "eddyMax" Wirbelstromgerät der Firma TMT. Über eine neu entwickelte Software ist sowohl die Steuerung der Wirbelstromkarte als auch die Steuerung eines Manipulators möglich. Die dabei gewonnenen Daten werden zu einem C-Bild verknüpft und können entsprechend ausgegeben, gespeichert und ausgewertet werden.
Durch die Wirbelstrom-Scananlage werden die Möglichkeiten zur Erprobung von Sonden, zur Erzielung von Erkenntnissen über Fehlernachweisbarkeit, zur Reproduzierbarkeit von Meßergebnissen usw. beträchtlich erweitert
Durch Verkleinerung der Sondenwirkbreite wurde die Nachweisempfindlichkeit deutlich erhöht. Auf diesen räumlichen Bereich des Sondenwirkfeldes hat neben der Prüffrequenz, der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit des Werkstoffes und der magnetischen Eigenschaften des Werkstoffes (z.B. ferromagnetisch oder paramagnetisch), insbesondere die Konstruktion der Sonde einen entscheidenden Einfluß. Eine Sonde mit kleiner Wirkbreite kann durch einen entsprechend kleinen Materialfehler leichter verstimmt werden. Es wurde eine Wirbelstromsonde vom Typ AN 05-01 eingesetzt, die neben der geringen Kerngröße von 0,5 mm konstruktive Eigenschaften besitzt, die sie für Abbildungszwecke (C-Bild) besonders hoher lateraler Auflosung geeignet macht.
| Prüffrequenz: | 200 kHz |
| Prüfgeschwindigkeit: | 40 mm/s |
| Auflösung : | 50 µm |
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Es konnten alle 6 Bohrungen nachgewiesen werden. Die Bohrung wurde im Grenzbereich des Gebietes verstärkt/unverstärkt eingebracht. Diese Lage der Bohrungen wird auch im CBild durch unterschiedliche farbliche Darstellung des verstärkten bzw. unverstärkten Materials deutlich (Bild 17).
Schlußfolgernd aus diesen Meßergebnissen ist festzuhalten, daß natürliche Porennester von d = 50-100, µm (welche durch die Bohrungen simuliert wurden) bei den oben genannten Prüfparametern nachzuweisen sind, soweit sie an der Bauteiloberfläche liegen. |  Bild 5: Bohrung (d=200 µm) im Ubergangsgebiet faserverstärktes Material -unverstärktes Material |
| Prüfsonde : | AN 05-01 |
| Prüfgeschwindigkeit: | 50 mm/s |
| Auflösung : | 50 µm |
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Der Nachweis eines ausgewählten Shots gelang mit allen untersuchten Frequenzen. Am deutlichsten wird das Shot bei einer Frequenz von 100 - 200 kHz widergegeben (Abb 18). Ein nachgewiesener Shot konnte metallographisch mit 400 µm bestimmt werden. |  Abb 18: Shot an Probenoberfläche (Prüffrequenz 200 kHz) |
3.2.4 Nachweis von faserfreien Gebieten mittels WirbelstromFür die Untersuchung von faserfreien Gebieten an der Oberfläche standen Proben zur Verfügung, bei denen durch Einstechen in die Preform künstliche faserfreie Gebiete erzeugt wurden. Der Nachweis dieser "künstlichen" faserfreien Gebiete an der Probenoberfläche gelang bis zu einer minimalen Ausdehnung von ca. 100 µm in einer Richtung (Bild 19). |  Bild 19: Faserfreies Gebiet an Probenoberfläche (Breite ca. 100 µm) |
| Die Untersuchungen erfolgten an einem Material mit 20% Fiberfraxverstärkung wobei faserfreie Gebiete an der Oberfläche lagen. Auf Grund der unterschiedlichen Wirkungsweise der Prüfverfahren ist es möglich, mit der Wirbelstromprüfung die faserfreien Gebiete an der Oberfläche und mit der Ultraschallprüfung die im Material vorhanden Shots nachzuweisen (Bild 20). |  Bild 20 : Vergleich der C-Bilder einer Probe, die a) mit Ultraschall und b) mit Wirbelstrom untersucht wurde |
Eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Meßverfahren bei den gewählten Prüfparametern ist nicht festzustellen. Der Nachweis der faserfreien Gebiete an der Oberfläche gelingt mittels Wirbelstrom bis zu einer Fehlerbreite von 100 µm auch in Kombination mit dem Ultraschall.
Durch den Einsatz eines Hardware-Vorteilers fur die Trigger-Impulse ließ sich die Prüfgeschwindigkeit von 40 mm/s auf 125 mm/s steigern. Um den Einfluß dieser Geschwindigkeitssteigerung zu untersuchen, wurde u.a. ein faserfreies Gebiet an der Probenoberfläche (Breite ca. 270,µm) bei sonst konstanten Parametern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gescannt. Insgesamt wurden 10 verschiedene Geschwindigkeiten im Bereich 25 mm/s bis 125 mm/s gewählt.
Die Untersuchungen wurden mit folgenden einheitlichen Parametern durchgeführt:
| Prüfsonde: | AN 05-01 |
| Prüffrequenz | 200 kHz |
| Schrittweite: | 50 µm |
| Es zeigt sich bei einem Vergleich der C-Bilder (Bild 21 und 22), daß auch bei einer Erhöhung der Geschwindigkeit um mehr als das Dreifache das faserfreie Gebiet eindeutig nachgewiesen wird. Allerdings ist, bedingt durch das Abtastverfahren (mäanderförmiges Abtasten der Probe durch den Scanner), eine Richtungsabhängigkeit in Richtung der sogenannten Scan-Achse zu verzeichnen. Dies hat auf die Darstellung des faserfreien Gebietes im C-Bild Einfluß. Der Nachweis des faserfreien Gebietes als Materialinhomogenität bei der gewählten Geschwindigkeit noch eindeutig möglich. |  Bild 21 u. 22: Kurven eines faserfreien Gebietes Prüfgschwindigkeit von 37,5 mm/s (links) und 125 mm/s (rechts) |
Da mit der vorhandenen Anlagentechnik eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit nicht realisierbar ist, wurde nach Möglichkeiten gesucht, um den geforderten Prüfgeschwindigkeitsbereich von ca. 1 m/s zu erreichen.
Dazu wurde ein Drehteller so modifiziert, das Geschwindigkeiten bis zu 1 m/s erzielt werden konnten. Als Wirbelstrommeßsystem gelangt das Defctoscop AF mit der Sonde AN 05-01
zum Einsatz.
Der Prüfkörper wurde ein Motorkolben verwendet, bei dem der Verstärkungsring symmetrisch angeordnet und somit ein einfaches Justieren des Systems möglich ist. Dieser Kolben weist zwei faserfreie Gebiete an der Oberfläche auf.
Die Wirbelstromsignale gelangen über den Analogausgang des Defectoscop AF und einen vorhanden A/D-Wandler mit hoher Auflösung (16 bit) und einer Samplingrate von 50 kHz in den PC. Dort werden diese dargestellt und abgespeichert. Durch den Export der Daten in eine Software wurden die nachfolgenden Bilder erzeugt.
Da bei diesen Untersuchungen der Abhebeffekt als Einflußgröße in Richtung der x-Achse gelegt wurde, kommt nur der y-Anteil des Wirbelstromsignales zur Auswertung.
Deutlich zeichnen sich die zwei faserfreien Gebiete (A, B) durch eine Erhöhung der Spannung ab, die aus einer höheren Leitfähigkeit aus dem unnverstärkten Bereich resultiert. Gleichzeitig ist eine andere Stelle mit verringerter Leitfähigkeit festzustellen, was auf eine Faserkonzentration hinweist.
Um die Ubersichtlichkeit beim Vergleich der verschiedenen Geschwindigkeiten miteinander zu erhöhen, wurde anschließend der auszuwertende Bereich auf eine Umdrehung eingegrenzt.
In Auswertung der Ergebnisse ist zu schlußfolgern, daß die Erkennbarkeit faserfreier Gebiete mit zunehmender Geschwindigkeit immer schwieriger wird und von der Größe der Fehlstelle abhängt. Während das größere faserfreie Gebiet (Breite ca. 750 µmm) auch bei einer Geschwindigkeit von 1 mls noch eindeutig vom Rauschen zu trennen ist, wird dies bei dem einem faserfreien Gebiet (Breite ca. 380 µm) schon bei 0,5 m/s schwierig.
In zwei Diagramm wurden die Kurven bei einer Geschwindigkeit von 100 mm/s (links) und 1000 mm/s (rechts) (als Maximum) gegenübergestellt (Bild 23).
| Prof. Dr.-lng. habil. Horst - Dieter Tietz studierte Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung in Magdeburg, 1965 Promotion, 1970 Habilitation, 1965-1971 Leitung der Materialprüfanstalt eines Schwermaschinenbaubetriebes in Magdeburg. 1971 Berufung zum ordentlichen Professor, 1982-1992 Leiter des Instituts für Werkstoffe und Qualitätssicherung,1991-1992 Rektor der TH Zwickau, 1992-1996 Gründungsrektor der Hochschule für Technik und Wirtschaft Zwickau (FH). Seit 1996 Rektor der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH). Leiter des Applikationszentrums Konstruktionskeramik sowie Lehrbeauftragter an mehreren Universitäten. Autor mehrerer Fachbücher auf den Gebieten der Werkstoffe und deren zerstörungsfreien Prüfung. |
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