DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Rechnerunterstützte Ultraschallprüfung: Ultraschall-Spektralanalyse und Resonanzmessung

Dr. Ing. Werner Roye und U.Schlengermann
AgfaNDT GmbH, Hürth
Kontakt: Roye Werner Dr.-Ing.

1. Einleitung

Seit über 50 Jahren wird die Ultraschallprüfung in vielen Bereichen erfolgreich eingesetzt. Im Lauf dieser Zeit wurde die Prüftechnik stets weiterentwickelt. Moderne, digitale Ultraschall-Geräte sind entweder mikroprozessorgesteuert oder mit einem Computer kombiniert. Ein Beispiel dafür ist das Krautkrämer-Ultraschall-Prüfsystem USLT2000, welches sich zusammensetzt aus einem PC und einer Ultraschall-Hard- und Software.


Fig 1: USLT-Hardware.

Die Standard-USLT-Software bietet dem Anwender die Benutzeroberfläche eines universellen Ultraschallgerätes, mit dem beliebige Applikationen realisiert werden können. Der grosse Vorteil der PC-Methode gegenüber "normalen" Geräten besteht in der Möglichkeit, Messdaten in jeder gewünschten Form weiterverarbeiten zu können, und zwar mit Standard-Programmen für Textverarbeitung, Tabellenkalkulation oder Datenbanken.


Fig 2:
USLT-Benutzeroberfläche.

Darüber hinaus werden Programmierwerkzeuge (UltraWorks) zur Verfügung gestellt, mit denen weitere Applikations-Programme erstellt werden können. So hat jeder Programmierer die Möglichkeit, für eine spezielle Anwendung eine eigene Benutzeroberfläche zu schaffen.

In diesem Beitrag werden drei Zusatzprogramme vorgestellt, die als Plug-In-Programme zusätzlich geladen werden können und von der USLT2000-Benutzeroberfläche aufgerufen werden können:

  • Ultraschall-Frequenzanalyse
  • Präzisionswanddickenmessung im Frequenzbereich
  • Härtetiefenbestimmung

2. Ultraschall-Frequenzanalyse

Mit dem Ziel, aus einem Ultraschallsignal mehr Informationen zu extrahieren als nur den Schallweg und die Amplitude, wurde das Modul USLT-FFT entwickelt.


Fig 3:
USLT mit Zusatzmodul FFT.

Mit diesem Zusatzprogramm lässt sich online neben dem Zeitsignal (A-Bild) das zugehörige Frequenzspektrum betrachten. Das Spektrum wird berechnet mit Hilfe der Fouriertransformation (FFT). Mit diesem Modul werden automatisch folgende Messwerte ausgegeben:

  • Die Pulslänge in ms bei 10% vom maximalen Amplitudenwert
  • Die Peakfrequenz in MHz (Frequenz im Maximum des Spektrums)
  • Die Mittenfrequenz fc in MHz (arithmetischer Mittelwert von den Grenzfrequenzen fo und fu bei 50 % vom Maximum)
  • Die Bandbreite in % ((fo - fu / fc )* 100%)

Jedes Ultraschallecho ist ein Faltungsprodukt unter anderem aus den Eigenschaften des Schallwandlers, des Werkstoffs vom Prüfobjekt und des Reflektors. Wenn das Frequenzspektrum eines Schallwandlers bekannt ist -was sich ebenfalls mit Hilfe des Programms "Ultraspektrum" ermitteln lässt- dann können sowohl Werkstoffeigenschaften als auch Reflektoreigenschaften durch das Ausmessen der Frequenzverschiebung erfasst werden.

Beispielhaft sind im folgenden einige Formeln für den Unterschied von flächenhaften und gekrümmten Reflektoren angegeben [1]:

  • Kreisscheibe:
  • Kugel:

Darin beschreibt p den Schalldruck, P die Kreiszahl, DS den Schwingerdurchmesser, DKSR bzw. DKUG den Reflektordurchmesser, f die Frequenz, c die Schallgeschwindigkeit und s den Schallweg.

Aus diesem Beispiel geht hervor, dass ein Echo von einer Kreisscheibe quadratisch und von einer Kugel linear mit der Frequenz ansteigt. Somit lassen sich also flächige und gekrümmte Reflektoren voneinander unterscheiden.

In ähnlicher Weise lassen sich auch Materialeigenschaften über die frequenzabhängige Schallschwächung zerstörungsfrei bestimmen, zum Beispiel:

  • bei der Materialprüfung an Metallen: Metallurgische Eigenschaften
  • bei der Materialprüfung an Kunststoffen: Versprödung, Konsistenz, Matrix-Charakterisierung an Verbundwerkstoffen
  • bei der medizinischen Anwendung: z.B. Knochenmineralgehalt- bzw. Osteoporosemessung
  • bei der Überwachung von Nahrungsmitteln: Nachweis von Sedimentation, Gelation, Verunreinigung, Temperatureinfluss

Die Materialcharakterisierung mit Hilfe der Ultraschall-Spektroskopie basiert auf dem Prinzip, dass verschiedene Werkstoffe unterschiedliche frequenzabhängige Schallabsorptions- und Schallstreu-Koeffizienten aufweisen.

3. Präzisionswanddickenmessung im Frequenzbereich

Üblicherweise werden Wanddicken aus der Laufzeit von Schallimpulsen bestimmt. Aus der Laufzeitdifferenz Dt zwischen den Echos lässt sich gemäß folgender Gleichung die Wanddicke ableiten:

D = c.Dt / 2

Darin beschreibt c die Schallgeschwindigkeit. Die Wanddicke entspricht dem halben Schall-Laufweg wegen der Impuls-Echo-Technik.


Fig 4:
USLT mit Zusatzmodul RTM.

Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur, wenn die Wanddicke grösser als die Wellenlänge ist. Die Wellenlänge l entspricht dem Verhältnis aus der Schallgeschwindigkeit c und der Frequenz f:

l = c / f

Wenn dünnere Bleche geprüft werden sollen, muss mit entsprechend höheren Prüffrequenzen gearbeitet werden. Das aber bedeutet, dass auch Geräte und Prüfköpfe für die hohen Frequenzen ausgelegt sein müssen. Einfacher ist in diesem Zusammenhang jedoch das sogenannte Resonanz-Wanddicken-Verfahren (engl.: Resonance Thickness Measurement, RTM). Diese Methode wird im folgenden beschrieben.

In der nebenstehenden Abbildung ist die Benutzeroberfläche des USLT2000 zu sehen, wobei rechts anstelle des Fensters "Einstellungen" das Fenster "Wanddickenmessung" aktiviert ist. Im linken Fenster ist eine Echofolge von einem 1mm dicken Stahlblech dargestellt, und im rechten Fenster das Frequenzspektrum von der Echofolge - und zwar in dem Zeitbereich, der durch die Zeitblende beschrieben wird. Das Frequenzspektrum besteht aus Frequenzpeaks, deren Abstände Df umgekehrt proportional zu den Zeitabständen Dt im Zeitbereich sind.

Df = 1 / Dt

Mit folgender Gleichung kann somit die Wanddicke D unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit c wahlweise aus dem Echoabstand Dt oder dem Frequenz-peakabstand Df ermittelt werden:

D = c . Dt / 2 = c / 2 . Df

Grundsätzlich kann im Fall einer solchen "sauberen" Echofolge die Wanddicke sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzspektrum gemessen werden. Die Vorteile der Messung im Frequenzbereich sind aber:

  1. Im Zeitbereich wird die genaue Einstellung von zwei Blenden benötigt, um den Abstand zwischen 2 Echos zu ermitteln, bzw. muss eine Nullpunktsjustierung durchgeführt werden, wenn mit der Laufzeit des 1. Echos die Wanddicke bestimmt werden soll.

    Im Frequenzbereich wird keine Blende benötigt, und eine Nullpunktsjustierung zur Berücksichtigung einer Prüfkopfvorlaufstrecke ist auch nicht erforderlich.


  2. Fig 5:
    Wanddickenbestimmung an einem l/2 - Blech.

  3. Bei kleiner werdenden Wanddicken überlagern sich schliesslich die Echos im Zeitbereich. Wenn die Wanddicke kleiner wird als die Wellenlänge l, dann ergibt sich schliesslich überhaupt keine Echofolge mehr, sondern nur noch ein Zeitsignal mit einer Resonanzfrequenz, siehe Abbildung. Links ist das resonante Zeitsignal dargestellt und im Frequenzspektrum rechts ist nur noch ein Frequenzpeak zu erkennen. Der Abstand zwischen 0 und der Peakfrequenz beschreibt jetzt den Frequenzabstand Df.

    Aus der oben angegebenen Formel lässt sich die Wanddicke D berechnen - hier: 0.150 mm. Die mechanisch gemessene Dicke des Bleches betrug 0.15 mm. Die statistische Abweichung beträgt ± 3 mm.

    Im aktuellen Fall liegt eine Wellenlänge l = 0.35 mm vor. Es handelt sich dabei also um eine Blechdicke, die etwas kleiner ist als die halbe Wellenlänge.

Für die Auswertung der Frequenzpeaks ist eine Bewertungsschwelle vorgesehen (blaue Linie). Diese Schwelle wird defaultmässig automatisch gesetzt, und alle Anzeigen, die darüber liegen, werden ausgewertet.

Anwendungsgrenzen:

  1. Die Methode der Wanddickenmessung über die Resonanzfrequenz lässt sich nur anwenden, wenn eine Reflexion an der Rückseite erfolgt und eine Echofolge oder eine Resonanz vorhanden ist. Beschichtungen, die aufgrund von geringen Impedanzunterschieden nur ein Echo liefern, können mit dieser Methode nicht vermessen werden.
  2. Die kleinste messbare Wanddicke liegt bei circa 1/2 Wellenlänge.
  3. Eine physikalische Grenze für die grösste messbare Wanddicke gibt es nicht. Allerdings werden die Frequenzpeak-Abstände immer kleiner bei zunehmenden Wanddicken. Deshalb wird empfohlen, Blechdicken ab 5-facher Wellenlänge wie gewohnt im Zeitbereich zu messen.

4. Härtetiefenmessung

Die zerstörungsfreie Bestimmung von Einhärtetiefen erfolgt nach dem Ultraschall- Rückstreu-Verfahren [2]. Das Verfahren basiert auf dem Sachverhalt, dass die mittlere Korngrösse durch den Härteprozess reduziert wird.


Fig 6: Prinzip des Rückstreuverfahrens.

Wird eine Ultraschallwellenlänge gewählt, die gerade etwas grösser ist als die Korngrösse vom gehärteten Bereich und etwas kleiner ist als die Korngrösse vom Grundmaterial, dann lassen sich Streuanzeigen vom Übergangsbereich messen und damit die Einhärtetiefe.

Das Verfahren arbeitet zuverlässig bei den meisten thermischen Härteverfahren, z.B. Flammhärten und induktives Härten, nicht aber bei chemischen Härteverfahren, z.B. Nitrierhärten.

Für Spezialaufgaben ist ein spezieller Prüfkopf zu wählen, der im Hinblick auf die Geometrie dem Prüfobjekt und im Hiblick auf die Frequenz dem Gefüge des Prüfobjektes angepasst ist.


Fig 7:
USLT mit Zusatzmodul EHT.

In der nebenstehenden Abbildung ist im A-Bild-Fenster zu erkennen, dass ab einem Schallweg von ca. 7 mm Streuanzeigen vom Gefüge auftreten (schwarze Kurve). Es ist auch möglich, die örtlich schwankenden Gefügeanzeigen zu mitteln (rote Kurve). Das geschieht mit der Einstellung "Echodynamik". In diesem Fall kann der Prüfkopf über die Fläche verschoben werden, und durch das Festhalten aller Spitzenwerte wird bereichsweise die geringste Härtetiefe erfasst.

Mit dem Zusatzmodul für die Härtetiefenbestimmung wird der geglättete Verlauf des A-Bildes ausgegeben. Auf der Abzisse wird die reale Tiefe, umgerechnet für den gewählten Einschallwinkel angegeben. Die Ordinate beschreibt die Signalamplitude von 0 bis 100 % .

Die Höhe der waagrechten blauen Linie stellt den Schwellwert dar, bei dem die Härtetiefe abgelesen werden kann. Die gemessene Härtetiefe lässt sich im unteren Textfenster direkt ablesen.

Grundsätzlich ist der Verlauf des Härtegradienten von der Oberfläche in die Tiefe stetig. Die Härteverlaufskurve gleicht einer mehr oder weniger steilen S-Kurve. Die Definition zum Härtetiefenwert ist stets der zugehörigen Norm zu entnehmen.

Bei der Ultraschall-Rückstreumessung ergibt sich ebenfalls eine S-förmige Kurve. Um daraus die Härtetiefe ablesen zu können, ist das System folgendermassen zu kalibrieren:

  • Mechanische Messung des Härteverlaufs an einer Schnittfläche eines Referenz-Prüfobjektes
  • Ermittlung der Härtetiefe gemäss der gültigen Norm
  • Messung der Ultraschall-Härteverlaufskurve
  • Einstellung des Schwellwertes, so daß der mechanisch gemessene und der vom Ultraschall gemessene Härtetiefenwert übereinstimmt.

Wenn nach dieser Vorgehensweise das Ultraschallgerät einmalig für eine bestimmte Bauteilgeometrie kalibriert ist, werden die Härtetiefenwerte korrekt zerstörungsfrei ermittelt.

5. Zusammenfassung

Im vorliegenden Beitrag werden Möglichkeiten der rechnerunterstützten Ultraschallprüfung aufgezeigt, insbesondere Zusatzprogramme (Plug-Ins) für die Ultraschallspektralanalyse, die Wanddickenmessung im Frequenzbereich und die Härtetiefenbestimmung nach dem Ultraschall -Rückstreuverfahren.

Grundsätzlich sind diese Verfahren nicht neu, aber in Verbindung mit der modernen Rechnertechnik lassen sich diese Aufgaben online und ohne großen Hardwareaufwand realisieren.

6. Literaturangaben:

  1. Crostack, Roye: Verbesserung der Ultraschallprüfung von Gussteilen Fehleranalyse mit der Mehrfrequenzentechnik 3rd European Conference on Nondestructive Testing, Florence, Oct. 1984
  2. Crostack, Roye: Zerstörungsfreie Härtetiefenbestimmung mit Ultraschall DVM-Tagung, Bad Nauheim, Dez. 1985

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net