DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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USPC 4000 AirTech - ein neues, bildgebendes Ultraschallprüfsystem für Ankopplung über Luft

W. Hillger, L. Bühlung und D. Ilse, Ing. Büro Dr. Hillger, Braunschweig
Kontakt: Dr.-Ing. Wolfgang Hillger

1. Zusammenfassung

Die berührungslose Ultraschallprüfung mit Ankopplung über Luft vermeidet die Nachteile der teilweise sehr aufwendigen Koppeltechniken. Außerdem wird durch die Ankopplung mit Luft die Prüfung bei vielen Werkstoffen erst möglich. Beispiele hierfür sind Faser- und Metallverbunde mit Waben- oder Schaumkernen, (Metall-)Schäume, bei denen z. B. Wasser eindringen kann, und trockengepresste Grünkeramiken. Die einfache Ankopplung wird jedoch durch hohe Verluste durch den ungünstigen Impedanzsprung Festkörper/Luft erkauft. Dadurch können Standardprüfsysteme nicht eingesetzt werden.
Das neue bildgebende Prüfsystem USPC 4000 AirTech ist das Ergebnis jahrelanger Erfahrung mit Luftankopplung. Ein freiprogrammierbarer Sender zur Erzeugung von Rechteck-, Burst-, Chirp- oder codierten Impulsen schafft die Voraussetzung für einen hohen Signal-Rauschspannungsabstand. Empfangsseitig liefern der extrem rauscharme Vorverstärker sowie die Signalaufbereitung in Verbindung mit einem schnellen ADC mit 12 bit Auflösung und bis zu 5 kHz Impulsfolgefrequenz bis zu 50 dB Amplitudendynamik in den C-Bildern.

Die vielfach bewährte Software "Hillgus für WindowsTM" gestattet die einfache Bedienung des Systems, die schnelle Datenaufnahme (auch full-wave-scans) mit real-time Befunddarstellung und einfache Auswertung und Dokumentation.

Das System ist kompatibel mit einer Vielzahl von Prüfköpfen verschiedener Hersteller. Mit neu entwickelten Prüfköpfen konnte erstmalig Beton bis zu einer Dicke von 1 m mit bildgebend mit Ankopplung über Luft geprüft werden! Es wird der Einsatz des Prüfsystems an Werkstoffen wie Grüner Keramik, Composites mit Schaumkernen, Beton und Naturstein sowie Faserkeramik beschrieben.

2. Einleitung

Die berührungslose Ultraschallprüfung mit Ankopplung über Luft [1-7] vermeidet die Nachteile der teilweise sehr aufwendigen Koppeltechniken.

Außerdem wird durch die Ankopplung mit Luft die Prüfung bei vielen Werkstoffen erst möglich. Beispiele hierfür sind Faser- und Metallverbunde mit Waben- oder Schaumkernen, (Metall-)Schäume und trockengepresste Grünkeramiken.
Die einfache Ankopplung wird mit sehr hohen Verlusten durch die großen Impedanzunterschiede zwischen Festkörper und Luft erkauft [1]. Daher sind speziell an Luft angepasste Prüfköpfe und ein besonderes Prüfsystem erforderlich. Um einen möglichst großen Wirkungsgrad zu erhalten, sind die Prüfköpfe meist ungedämpft und haben deshalb lange Impulse [8]. Es sind aber auch breitbandige Prüfköpfe erhältlich [2]. Die Empfindlichkeit (Quotient aus Sende- und Empfangsspannung in Luft ohne Testkörper) sollte für Bildgebung >-40 dB sein. Untersuchungen zeigen, dass vor einem Einsatz das Schallfeld ausgemessen werden sollte [8]. Der Frequenzbereich liegt meist zwischen 50 kHz und 1 MHz (6,8 mm bis 0,34 mm in Luft). Es sind auch Prüfköpfe mit bis zu 5 MHz erhältlich [2]. Da kleine Abweichung des Einschallwinkels große Auswirkunken auf das Prüfergebnis halben, eignen sich diese für Luftankopplung sehr hohen Frequenzen nur für stationäre Prüfungen. Außerdem wird die Schallschwächung in der Luft derartig hoch, dass die single-shot-Technik mehr einsetzbar ist.
Zur Anregung wird häufig ein Burstimpuls verwendet. Spezielle Sendesignale mit empfangsseitiger Korrelation bringen bei breitbandigen Prüfköpfen ca. 8 dB höheren Signal-Rauschabstand [2].
Bisher sind getrennte Prüfköpfe zum Senden und Empfangen erforderlich, wobei meist in Durchschallung mit gegenüberliegenden Prüfköpfen gearbeitet wird. Es sind jedoch auch Prüfungen mit einseitiger Zugänglichkeit möglich (pitch and catch). Hierbei wird mit Schrägeinschallung und einer Wellenumwandlung gearbeitet [10]. Beispielhaft wird dies bei der Prüfung von Natursteinplatten demonstriert.

3. Ultraschallprüfsystem USPC 4000 AirTech

Das modulare, bildgebende Ultraschallsystem USPC 4000 AirTech (Bild 1) ist das Ergebnis jahrelanger Erfahrung mit Luftankopplung und ermöglicht berührungslose Prüfungen mit Ankopplung über Luft in single-shot-Technik. Der Frequenzbereich ist für bildgebende Prüfungen im Interesse eines hohen Signal-Rauschabstands auf den Bereich von 20 kHz bis 1,5 MHz begrenzt.

Bild 1: Ultraschallprüfsystem USPC 4000 AirTech, links: System im 19"-Gehäuse, rechts: Oberfläche der Software Hillgus für Windows

Ein freiprogrammierbarer Sender zur Erzeugung von Rechteck-, Burst-, Chirp- oder codierten Impulsen schafft die Voraussetzung für einen hohen Signal-Rauschspannungsabstand trotz hoher Impedanzunterschiede zwischen Gasen und Festkörpern.

Neben einer Burst-Anregung mit 1 bis 15 Impulsen kann der Signal-Rauschabstand mit einer Chirp-Anregung und empfangsseitiger Korrelation um ca. 8 dB erhöht werden.
Empfangsseitig wird ein auf den jeweiligen Prüfkopf abgestimmter extrem rauscharmer Vorverstärker eingesetzt. Der schnelle ADC mit 12 bit Auflösung liefert bis zu 50 dB Amplitudendynamik in den C-Bildern.

Das System mit einer maximalen Pulsfolgefrequenz von 5 kHz lässt sich durch die Software "Hillgus für Windows" sehr leicht bedienen. Neben on-line C- und D- Bildern können auch full - wave - Scans aufgenommen und nachträglich A-, B-, C- und D- Bilder berechnet werden.

Mit der Impuls-Echo-Option kann ein Prüfkopf gleichzeitig als Sender und Empfänger eingesetzt werden. Diese Option erlaubt z. B. das Ausmessen von Schallfeldern wobei ein Kugelreflektor benutzt wird. Außerdem lassen sich hiermit die Prüfköpfe bei senkrechter Einschallung exakt ausrichten. Ferner können die Abstände zwischen Prüfkopf und Bauteil gemessen werden bzw. bei bekanntem Abstand die Schallgeschwindigkeit in der Luft bestimmt werden, damit sich Schallgeschwindigkeit des Bauteils bzw. die Bauteildicke ermittelt lassen.

Die FFT-Option kann sowohl zur Charakterisierung von Prüfköpfen als auch von Werkstoffen benutzt werden. Hierbei erfolgt neben dem A-Bild gleichzeitig eine Darstellung des Frequenzspektrums. Mit Hilfe von breitbandigen Prüfköpfen lässt sich die frequenzabhängige Schallschwächung von Werkstoffen messen.

Im Folgenden werden einige Anwendungen des neuen Prüfsystems beschrieben, das sich sowohl im Labor für Forschung und Entwicklung als auch zur Qualitätssicherung eignet.

4. Typische Anwendungen des USPC 4000 AirTech

4.1 Grüne Keramik

Um eine wirtschaftliche Fertigung von keramischen Werkstoffen zu erhalten, ist es notwendig, Fehlstellen möglichst früh anzuzeigen, also im grünen Zustand vor dem energiereichen Sintern. Diese Grünkörper dürfen nicht mit Koppelmittel geprüft werden, deshalb bietet sich eine Ankopplung über Luft an. Bild 2 (links) stellt die Anordnung in Durchschallung dar. Rechts daneben ist jeweils ein D-Bild (Laufzeit) und ein C-Bild dargestellt. Die unterschiedlichen Dichten werden deutlich über unterschiedliche Laufzeiten angezeigt. Bei der Schallschwächung (C-Bild) ergeben sich dagegen nur kleine Unterschiede. Zur Prüfung wurden breitbandige und fokussierte 1 MHz-Prüfköpfe verwendet.

Bild 2: Berührungslose Prüfung von grüner Keramik, links: Anordnung in Durchschallung, rechts oben: D-Bilder, rechts unten: C-Bilder

4.2 Sandwich-Bauteile

Sandwich-Bauteile werden zunehmend wegen ihrer hohen Festigkeit und Steifigkeit bei niedrigem Gewicht im Luft- und Raumfahrtbereich eingesetzt. Aufgrund des Kernmaterials (hier Schaum) tritt eine extrem hohe Schallschwächung auf; deshalb können nur Frequenzen unterhalb von 200 kHz eingesetzt werden. Die Ankopplung über Luft hat den Vorteil, dass sich aufgrund der kleinen Schallgeschwindigkeit bei den niederen Frequenzen auch kleinere Wellenlängen ergeben, so dass die Ankopplung über Luft sogar eine bessere Auflösung als die mit Wasser ergibt. Das Schaumteil enthält Ablösungen von den Deckschichten und Bohrungen (8 und 10 mm Durchmesser), die alle im C-Bild dargestellt werden. Da unterschiedliche Schäume verwendet wurden, wird die linke Hälfte im C-Bild blau und die rechte Hälfte gelb dargestellt, was auf unterschiedliche Schallschwächungen deutet. Eingesetzt wurde ein breitbandiger, fokussierter 200 kHz-Prüfkopf.

Bild 3: Prüfung von CFK-Sandwich-Bauteilen, links: Bauteil mit künstlichen Fehlstellen, rechts C-Bild des Bauteils

4.3 Prüfung von Beton

Durch den Einsatz neuer, breitbandiger Hochleistungsprüfköpfe (Empfindlichkeit -32 dB, Bandbreite bis zu 40 %!) ist die Durchschallung von Betonbauteilen bis zu ca. 1 m Dicke problemlos möglich. Damit können C-Bilder innerhalb von wenigen Minuten aufgenommen werden, die deutlich innen liegende Fehlstellen wie Kiesnester, Hohlräume, Risse u. ä. darstellen. Bisher war die C-Bildaufnahme durch Ankopplungsprobleme erschwert (raue Oberfläche, zeitaufwendige Ankopplung über Paste oder durch eindringendes Wasser, das die Detektion von Hohlräumen nahezu unmöglicht macht).

Bild 4 links stellt den Prüfaufbau dar. Bild 4 rechts zeigt den C- Scan einer 20 cm dicken Beton-Probe mit Kiesnest aufgenommen mit Ankopplung über Luft. Durch geschickte Wahl der Palette des C-Bildes werden natürliche Inhomogenitäten in Grauwerten und relevante Fehler in Farben dargestellt.
Die Echodynamik zeigt, dass das Kiesnest eine Verringerung der Empfangsamplitude um über 20 dB hervorruft. Sogar die Bohrung 16 mm Durchmesser schwächt das Empfangssignal um bis zu 9 dB.

Bild 4: Prüfung von Beton, links: Aufbau zur automatischen, bildgebenden Prüfung in Durchschallung des 20x20x50 cm großen Testkörper mit Kiesnest sowie Prüfkopfhalterung, Prüfköpfen und Monitor während der C-Bildaufnahme, Mitte: A-Bild im Bereich des Testkörpers, rechts: C-Bild mit in Rot dargestelltem Kiesnest

Das A-Bild (Bild 4, Mitte) zeigt den relativ kurzen Empfangsimpuls, der gegenüber der den bisherigen Prüfungen mit direkter Ankopplung über Paste nur unwesentlich länger ist. Die Prüffrequenzen liegen zwischen 90 und 130 kHz. Eingesetzt wurde ein Prototyp einer neuen Prüfkopfserie mit einem speziellen Schwingermaterial und einer dreifachen Anpassschicht an Luft. Ein weiterer Prototyp mit einer Mittenfrequenz von 100 kHz hat eine relative Bandbreite von über 40 % bei einer Empfindlichkeit von -32 dB. Mit einer Burst-Anregung von vier Impulsen lassen sich Betonbauteile mit einer Dicke bis zu einem Meter durchschallen. Weiter Informationen über den Werkstoff liefert das Frequenzspektrum, das sich durch die frequenzabhängige Schallschwächung des Betons in Abhängigkeit des Porengehalts und der Art der Zuschläge sowie der Homogenität verändert [11].

4.5 Natursteinplatten aus Lavabasalt

Beispielhaft wird die einseitige Prüfung mit Ankopplung über Luft an Natursteinen (Lavabasalt-Platten) gezeigt, wobei innenliegende Risse anzuzeigen sind. Durch Schrägeinschallung mit breitbandigen 100 kHz Prüfköpfen findet im Werkstoff eine Wellenumwandlung von Longitudinal- auf Transversalwellen statt (Bild 5, links), die an der Bauteilrückseite reflektiert und über einen zweiten Prüfkopf wieder empfangen werden. Mit einem "Prüfkopfwagen" (Bild 5, Mitte), der den Sende- und Empfangsprüfkopf in V-Anordnung enthält, können die Untersuchungen auch vor Ort durchgeführt werden. Das C-Bild (Bild 5, links) stellt Risse in einer Bodenplatte aus Lavabasalt dar, die sich durch eine Echoabsenkung um 8 dB abzeichnen.

Bild 5: Prüfung von Natursteinen: links Anordnung der Prüfköpfe zur einseitigen Prüfung mit Transversalwellen im Bauteil, Mitte: Prüfkopf-Wagen zur Vor-Ort-Prüfung, rechts C-Bild mit Rissanzeigen

Diese einseitige Prüfung ist natürlich auch bei anderen Werkstoffen, wie z. B. bei Composites möglich. Breitbandige Prüfköpfe liefern kurze Impuls, die hier den Vorteil einer besseren Trennung der Reflexionen der unterschiedlichen Wellenmoden haben.

4.6 Faserkeramik (CFC)

Keramiken haben hervorragende Druckfestigkeiten und sind bis zu sehr hohen Temperaturen einsetzbar. Um ihre Zugfestigkeit zu erhöhen, werden Keramiken mit Kohlefasern verstärkt. Diese Werkstoffe sind jedoch porös und würden bei der Prüfung in Tauchtechnik Wasser aufnehmen, das in Poren und Delaminationen eindringt und damit die Anzeige von Fehlern erschwert oder unmöglich macht. Die Ankopplung über Luft vermeidet diese Nachteile und vereinfacht die Prüfung.

Bild 6 stellt die Befunde einer Platte aus Faserkeramik dar, die mit fokussierten 120 kHz-Prüfkopf aufgenommen wurden. Im Gegensatz zu dem D-Bild (Laufzeit, Bild 6, Mitte) stellt das C-Bild (Bild 6, links) die Delaminationen nur unvollständig dar. Das Profil (Bild 6, rechts) zeigt die Änderungen der Impulslaufzeiten der beiden unteren Delaminationen, die sich signifikant erhöhen.

Bild 6: Ultraschallbefunde einer Platte aus Faserkeramik mit künstlich eingebrachten Delaminationen, links: C- Bild, Mitte: D-Bild, rechts Laufzeitprofil

5. Literatur

  1. Grandia, W. A.; Fortunko, S.M.: NDE Applications of Air-Coupled Ultrasonic Transducers, 1995 IEEE International Ultrasonic Symposium Seattle, Washington, Conf. Proc.,1995, S. 697-709.
  2. Bhardwaj, M. C. : High transduction piezoelectric transducers and introduction of Non-Contact analysis, www.ndt.net/article/v05n01/bhardwaj/bhardwaj.htm
  3. Hillger, W., Gebhardt, W.; Dietz, M.; May, B. : Ultraschallprüfungen berührungslos mit Ankopplung über Luft- Illusion oder schon bald Realität?, DGZfP- Jahrestagung 1998, Berichtsband 63.1, S. 241-249. www.ndt.net/abstract/dgzfp98/data/33.htm
  4. W. Gebhardt, W. Hillger, P. Kreier: Airborne Ultrasonic Probes: Design, Fabrication, Application, 7. ECNDT, Kopenhagen, 26-29 Mai, 1998. www.ndt.net/abstract/ecndt98/481.htm
  5. Hillger, W., Gebhardt, W.; Dietz, M.; May, B. : Ultraschallprüfungen berührungslos mit Ankopplung über Luft- Illusion oder schon bald Realität?, DGZfP- Jahrestagung 1998, Berichtsband 63.1, S. 241-249. www.ndt.net/abstract/dgzfp98/data/33.htm
  6. W. Gebhardt, W. Hillger, P. Kreier: Airborne Ultrasonic Probes: Design, Fabrication, Application, 7. ECNDT, Ko-penhagen, 26-29 Mai, 1998. www.ndt.net/abstract/ecndt98/481.htm
  7. Gebhard, W.: Einsatz von luftgekoppelten Ultraschall-Leistungswandlern in der ZFP, DGZfP- Jahrestagung 1999, Celle, Berichtsband 68, S. 55-62. www.ndt.net/abstract/dgzfp99/data/6.htm
  8. W. Hillger, R Henrich : Untersuchung der Leistungsmerkmale von Prüfköpfen für die Ankopplung über Luft, DACH -Jahrestagung 2004, Zerstörungsfreie Materialprüfung, ZFP in Forschung, Entwicklung und Anwendung, Salzburg, 17. -19. Mai 2004, Conf. Proc. on CD in preparation, www.ndt.net/article/dgzfp2004/papers/v42/v42.htm
  9. W. Hillger, M. Ahrholdt, H. Rohling, R. Henrich : Non-Contact Ultrasonic Imaging Techniques for Composite Components, 16th World Conference on NDT, 30.08.-03.09. 2004, Montréal, Canada, Conf. Proc.on CD in preparation, www.ndt.net/article/wcndt2004/abstracts/656.htm
  10. M.Castaings and P.Cawley: The generation, propagation, and detection of Lamb waves in plates using air-coupled ultrasonic tranducers, J. Acoust. Am. 100 (5) Nov. 1996, pp. 3070-3077
  11. W. Hillger: Imaging of Defects in Concrete Components with Non-Contact Ultrasonic Testing, 16th World Conference on NDT, 30.08.-03.09. 2004, Montréal, Canada, Conf. Proc.on CD in preparation, www.ndt.net/article/wcndt2004/abstracts/720.htm

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