DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Ultraschallprüfung von Lötungen an hochbeanspruchten Verdichterlaufrädern

Thomas Lüthi, Hans-Jörg Lehmann, Jürg Neuenschwander, Gerd Rössler,
Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), CH-8600 Dübendorf
Kontakt: Dr. sc. techn. Thomas Lüthi

1 Zusammenfassung

Die Herstellung von hochbeanspruchten Laufrädern in Radialverdichtern wäre durch den Einsatz dieses bereits seit mehr als 25 Jahren etablierten Hochtemperaturlötverfahren nicht mehr wegzudenken. Durch diesen Fügeprozess wird die beschaufelte Nabenscheibe eines Verdichterlaufrades mit der Deckscheibe kraftschlüssig und stoffundurchlässig verbunden. Als Werkstoff für diese Verdichterlaufräder haben sich die weichmartensitischen nichtrostenden Chrom-Nickelstähle schon sehr lange bewährt. Als Lotwerkstoff für diese Chrom-Nickelstähle kommt in fast allen Fällen das Gold-Nickellot Au82Ni18 mit der eutektischen Zusammensetzung zur Anwendung.

Die zerstörungsfreie Prüfung dieser Lötung in den Verdichterlaufrädern hat als Qualitäts- und Prozesskontrolle einen sehr wichtigen Stellenwert. Um Aussagen über das Vorhandensein von Bindefehlern (nicht gelöteter Bereich, keine Benetzung mit Lot) treffen zu können, wird die reflektierte Amplitude an der Grenzfläche Stahl / Lötung als C-Bild ausgewertet. Allerdings kann eine ungünstige Kombination von Prüffrequenz, Lotnahtdicke und Schallgeschwindigkeit in der Lötung zu Problemen bei der Amplitudenbewertung dieser Fügezone führen. Dies ist dann der Fall, wenn sich die beiden reflektierten Schallwellen an den Grenzfläche Stahl / Lot und Lot / Stahl überlagern. Je nach Randbedingungen führt dies zu einer Erhöhung bzw. Verringerung der gemessenen Amplitude im C-Bild.

Es werden Ansatzpunkte diskutiert, um diesen physikalische Effekt durch eine geschickte Wahl der Prüffrequenz für eine zerstörungsfreie Messung der Lotnahtdicke zu verwenden.

2 Prüfproblem

Hochbeanspruchte Verdichterlaufräder in Radialverdichtern bestehen aus weichmartensitischem nichtrostendem Chrom-Nickelstahl (z.B. X3CrNiMo13-4). In einem Hochtemperatur-Lotprozess wird die beschaufelte Nabenscheibe mit der Deckscheibe kraftschlüssig und stoffundurchlässig mit einer eutektischen Gold-Nickel-Legierung (Au82Ni18) verbunden. Die nominale Dicke der Lötung sollte zwischen 80 und 120 µm betragen. Grössere Dicken führen zu einem Abfall der üblichen Festigkeitswerte zwischen 700 und 950 MPa. Die vorhandenen Unregelmässigkeiten in der Lötung - Poren und Fe-Ni-Phasen, sowie die Diffusionszonen am Übergang der beteiligten Materialien und Variationen der Lotnahtdicke - können mit üblichen Ultraschallfrequenzen nicht nachgewiesen werden. Derartige Verdichterlaufräder haben einen typischen Durchmesser von 250 - 650 mm.


Fig 1: Schematischer Aufbau eines Verdichterlaufrads

Fig 2: REM-Aufnahme der Lötung (Balkenlänge unten links: 100 µm)

3 Standardvorgehen

Das übliche Vorgehen bei der Prüfung derartiger Bauteile auf die Lotnahtqualität ist eine mechanisierte bildgebende Ultraschallprüfung in Tauchtechnik mit punktfokussierten Prüfköpfen von typischerweise 5 bis 10 MHz und Amplitudenauswertung. Es zeigt sich aber, dass ein Wechsel der Frequenz zu einer wesentlichen Veränderung der Amplitudenverteilung führt (Figur 4). Mit dieser Methode können Bindefehler in der Lötung (Materialtrennungen, fehlende Bindung) zuverlässig nachgewiesen werden.


Fig 3: 10 MHz Amplituden C-Bilder einer Lotnaht in einem Verdichterlaufrad, Gesamtübersicht (links) und Detailansicht



Fig 4:
Amplitudenverteilung einer Lotnaht in einem Probeplättchen mit verschiedenen Frequenzen (Fokusdimensionen: Ø 1 mm @ -6 dB)

4 Mehrfachreflexion an Zwischenschichten

Beim Vorhandensein von Zwischenschichten wird ein Teil des einfallenden Schalls an beiden Grenzflächen - in diesem Fall Grundmaterial-Lot und Lot-Grundmaterial - reflektiert, und zwar mit umgekehrter Phasenlage. Sind die beiden Grenzfläche genügend weit voneinander entfernt, lassen sich die beiden Echos unterscheiden, bei dünneren Zwischenschichten (dünn im Vergleich zur Pulslänge) kommt es zu Interferenzen.


Fig 5: Echofolgen bei relativ dicker (links) und relativ dünner Zwischenschicht

Nach Bergmann [1] kann der Reflexionsfaktor für diesen Fall berechnet werden nach:

Dabei bedeuten Z1 die Impedanz des Hüllmaterials (in unserem Fall Stahl), Z2 die akustische Impedanz des Schichtmaterials (in unserem Fall Goldlot), d die Dicke der Zwischenschicht und λ die Wellenlänge im Schichtmaterial. Für bestimmte Frequenzen, nämlich wenn d/λ = 0, 1/2, 2/2, 3/2 usw., wird R minimal. Genau stimmt die Formel unter folgenden Bedingungen:

  • Senkrechter Einfall;
  • Monochromatischer Dauerschall;
  • Keine Schwächung in der Zwischenschicht.

Für die die Berechnungen zu Figur 6 wurden folgende Werte zugrundegelegt:
Z1 = 45.6 106 kg m-2 s-1
Z2 = 63.8 106 kg m-2 s-1 (theoretisch, ohne Mikroporosität)
λ = 367 µm (theoretisch, ohne Mikroporosität)

Daraus geht klar hervor, dass eine Frequenz von 10 MHz für eine Lotnahtdicke von 100 µm bereits nicht mehr sehr günstig ist, da sich das Echomaximum in diesem Bereich befindet. Eine Amplitudenreduktion kann eine Verringerung oder eine Erhöhung der Lotdicke bedeuten oder auf andere Ursachen (Veränderung der Schallgeschwindigkeit im Lot in Folge von Porosität) zurückzuführen sein. Aus Figur 6 ist auch ersichtlich, dass Reflexionsminima eindeutiger zu finden sind als die Maxima.


Fig 6: Abhängigkeit des Reflexionsfaktors von Lotnahtdicke und Frequenz für eine Stahl - Goldlot Verbindung; links: Übersicht, rechts: Schnitt bei 10 MHz

5 Auswertung der Reflexionsminima

Bei bekannter Schallgeschwindigkeit lässt sich aus der Frequenz des Reflexionsminimums die Schichtdicke bestimmen mit

Im allgemeinen Fall ist diese Bedingung für mehrere Frequenzen erfüllt, so dass zur Erfassung des ersten Frequenzminimums a priori Informationen über die Grössenordnung der Schichtdicke vorhanden sein müssen. Das Frequenzspektrum mit den entsprechenden Minima kann mit Hilfe einer Fourier Transformation des A-Bildes ermittelt werden. Derartige Berechnungen können auf handelsüblichen Oszilloskopen erfolgen.

Fig 7: Beispiele für zwei gemessene A-Bilder (oben, gesamte Fensterbreite 1 µs) und die entsprechenden Frequenzspektren (gesamte Fensterbreite 50 MHz)

Die Genauigkeit der Transformation ergibt sich u.a. aus der möglichen Fensterbreite des A-Bildes, bei 1 µs wird pro 1 MHz ein Punkt berechnet. Die in Figur 7 gezeigten Beispiele ergeben (links) bei 19.9 MHz eine Schichtdicke von 92 µm und (rechts) bei 14.9 MHz eine von 123 µm. Die zugrundegelegte Schallgeschwindigkeit im Lot beträgt 3670 m/s.

Die Bandbreite des Prüfkopfs (genauer die Bandbreite des reflektierten Echos) muss so gewählt werden, dass im gesuchten Bereich (im obigen Beispiel ca. 15 bis 25 MHz) überhaupt Frequenzen auftreten. Rauschen und Störeinflüsse, beispielsweise durch Porosität, können zu leichten Verschiebungen oder zu nicht eindeutigen Minima führen.

Analog zur herkömmlichen Schichtdickenmessung mit Hilfe der Bestimmung der Laufzeit muss die Schallgeschwindigkeit im Lotmaterial mit genügender Genauigkeit bekannt sein. Dies ist auch die Schwachstelle dieses Verfahrens. Bei vorhandener Mikroporosität kann sich die Schallgeschwindigkeit ändern und die Genauigkeit der angegebenen Dicken wird reduziert.

6 Weitere Anwendungsmöglichkeiten

Die oben beschriebene Methode lässt sich auch für die Bestimmung der Dicke von Klebungen, beispielsweise bei elektronischen Komponenten anwenden.

Fig 8: C-Bild einer Chipklebung (1.7 mm x 2.8 mm); oben: dünne Klebung (5 - 6 µm) zeigt konstruktive Interferenz, unten dicke Klebung (50 - 55 µm)
  1. Bergmann, L.: Der Ultraschall, 6. Aufl., Stuttgart: Hirzel (1954), auch zitiert in Krautkrämer, J. + H.: Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 5. Aufl., Berlin, Springer (1986), pp. 19ff

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