DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Charakterisierung oberflächennaher Fehler an plattierten Komponenten mittels Gruppenstrahlertechnik

U. Tessaro, A. Erhard, G. Brekow, BAM Berlin, U. Mletzko, MPA Stuttgart
Kontakt: U. Tessaro, G. Brekow

Zusammenfassung

Nachdem Untersuchungen mit konventionellen Prüfköpfen an plattierten Bauteilen gezeigt haben, dass es möglich ist, mit Hilfe von Beugungsanzeigen bzw. -mustern die Größe und Tiefenlage von Fehlern im Plattierungsbereich zu bestimmen, wurde die Gruppenstrahlertechnik für Fehlersuche und -charakterisierung eingesetzt.

Der Vorteil bei der Arbeit mit Gruppenstrahlerprüfköpfen besteht darin, dass in einer Messfahrt eine Reihe von Einschallwinkeln abgearbeitet werden kann. Dies vereinfacht und verkürzt die Prüfung wesentlich.

So wurde von der ferritischen und der plattierten Seite der Testkörper mit der Impuls-Echo-Technik im halben Sprung, der TOFD-Technik und mit Sende-Empfangs-Prüfköpfen oberflächennah geprüft. Allerdings haben alle hier aufgeführten Verfahren ihre Grenzen, so sind z.B. Fehler, die eine Fehlergröße von £ 3 mm aufweisen, kaum noch zu charakterisieren. Hier ist nur der Nachweis möglich.

Es hat sich außerdem gezeigt, dass die TOFD-Technik nur als Ergänzung zu anderen Techniken eingesetzt werden sollte, da das Potenzial für die Verwendung als Suchtechnik nicht ausreichend ist.

Keywords
Fehlergrößenbestimmung, Gruppenstrahlerprüfköpfe, TOFD, Impuls-Echo-Technik, SEL-Prüfköpfe

Durchführung und Versuchsaufbau

Die Testkörper wurden, für das Erstellen eines Wasserbades, das der Ankopplung diente, eingeklebt und/oder mit Silikon abgedichtet. Der bzw. die Prüfköpfe wurden in die Ausgangsposition gefahren und ihre Position zum Koordinatenursprung gemessen. Dies ist sehr hilfreich, wenn beim entstandenen TD-Bild der Fehler nicht ganz eindeutig zu bestimmen ist, und so anhand der Position auf dem Testkörper auf die Lage im Bild zurückgerechnet werden kann.

Anschließend wurde der Fehler oder das Fehlergebiet abgetastet. Bei Nuten, die Risse simulieren sollen, wurde parallel zur Fehlernormalen gefahren, da bekannt war, dass so der Fehler optimal dargestellt wird. Zusätzlich wurden bei der Impuls-Echo-Technik und bei den Messungen im Sende-Empfangs-Betrieb, um die Anisotropie der Plattierung beurteilen zu können, Messfahrten in die entgegengesetzte Richtung durchgeführt.

Die Prüfköpfe sind über eine kardanische Halterung mit dem Manipulator verbunden. Bei der TOFD-Technik sind die Prüfköpfe mit einem festen Abstand, der durch die Tiefe des zu untersuchenden Gebietes bestimmt wird, an einer Schiene befestigt (Abb.1).

Abb 1: Anordnung der Prüfköpfe bei der TOFD-Technik

Die aufgenommenen Daten und die Weggeberimpulse des Manipulators wurden zum Gruppenstrahlergerät weitergeleitet und dort verarbeitet.

Ergebnisdarstellung

Impuls-Echo-Technik
Eine exakte Fehlergrößenbestimmung ist oft nur in Fällen, wie in Abb.2 dargestellt, erfolgreich. Bei Defekten, die nicht grenzflächenverbunden sind, wird meist nur das dem Prüfkopf zugewandte Ende erfasst. Zusätzlich erscheint eine Anzeige, die an Reflektor und Grenzfläche entsteht. Diese kann aber nicht zur Fehlergrößenbestimmung herangezogen werden, da das die ermittelte Größe des Fehlers verfälschen würde.

Abb 2: Versuchsanordnung für die Impuls-Echo-Technik

Aufgrund der Ergebnisse wird die Anwendung von Transversalwellen empfohlen. Der Einschallwinkel sollte im Bereich zwischen 35° und 45° gewählt werden. Eine Charakterisierung ist mit dieser Methode nicht möglich.

Abb.3 zeigt das TD-Bild einer Impuls-Echo-Messung an einem plattierten Testkörper, der einen von einer Starternut ausgehenden Riss aufweist. Die Fehlerart entspricht dem in Abb.2 dargestellten linken Fall.

Die ermittelte Gesamtfehlertiefe beträgt 37,2 mm bei einer tatsächlichen Tiefe von 34 mm.

BE = Beugungsecho
WS = Winkelspiegel
Abb 3: TD-Bild einer Impuls-Echo-Messung
Abb 4: Versuchsanordnung für eine SE-Messung BE = Beugungsecho
RE = Reflexionsecho
Abb 5: TD-Bild einer Messung mit Sende-Empfangs-Prüfköpfen

Messungen mit Sende-Empfangs-Prüfköpfen

Der Nachweis oberflächennaher Fehler, ob offen, in oder unter der Plattierung liegend (Abb.4), ist mit Sende-Empfangs-Prüfköpfen, selbst bei kleinen Defekten (³ 3 mm) problemlos möglich. Für den Nachweis der kleinen Fehler muss allerdings mit großen Einschallwinkeln oder Kriechwellen gearbeitet werden. Um Beugungsechos zu erzeugen, muss man aber mit kleineren Winkeln (ca. 45°) einschallen. Somit ist es eigentlich nur bei großen Fehlern, die auch mit kleinen Winkeln erfasst werden können, möglich, Beugungsechos zu empfangen. Ein Beispiel zeigt Abb.5.

Die berechnete Fehlertiefe, in Abb.5 25,0 mm, weicht bei allen Messungen relativ stark von der wahren Tiefe ab. Es ist aufgrund der Lage des Fehlers im Plattierungsband nicht damit zu rechnen, dass die Ungenauigkeit bei der Ermittlung der Fehlertiefe mit der Kristallstängelneigung zusammenhängt, sondern es ist wahrscheinlicher, dass dies an der verästelten Oberfläche des Risses liegt.

TOFD-Technik
TOFD-Technik von der ferritischen Seite
Diese Technik eignet sich mehr als Ergänzung zu anderen Untersuchungsmethoden, da der Fehlernachweis nicht immer sicher ist. Besonders Defekte, die innerhalb der Plattierung liegen, sind oft mit der TOFD-Technik nicht nachzuweisen.

Abb.6 zeigt Fehlerarten, die mit der TOFD-Technik zu charakterisieren sind, sofern sie nicht zu klein sind.

Abb 6: Versuchsanordnung für die TOFD-Technik von der ferritischen Seite

Abb.7 zeigt die Aufnahme eines Unterplattierungsfehlers, der eine Fehlergröße von 3 mm und eine Tiefenlage von 11 mm aufweist. Berechnet wurden aus dem vorliegenden TD-Bild eine Tiefe von 5,5 mm und eine Größe von 2,5 mm. Die Abweichung in der Tiefenlage wird u.a. durch das Abschleifen der Plattierung verursacht.

Abb 7: TD-Bild einer TOFD-Messung von der ferritischen Seite Abb 8: Versuchsanordnung für die TOFD-Technik von der plattierten Seite Abb 9: TD-Bild einer TOFD-Messung von der plattierten Seite

TOFD-Technik von der plattierten Seite
Ein Beispiel für den Nachweis und die Charakterisierung eines oberflächenverbundenen, in der Plattierung liegenden Fehlers zeigt Abb.9. Die Fehlergrößenbestimmung ergibt eine Tiefe von 2,2 mm (Soll = 3 mm). Anhand der, wenn auch sehr schwachen, Unterbrechung der Lateralwellenanzeige kann auf einen offenen Defekt geschlossen werden.

Auch hier gilt wieder die Einschränkung, dass Defekte, die innerhalb der Plattierung liegen, schlecht nachgewiesen werden können. Abb.8 zeigt den Versuchsaufbau.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net