Werkstoffprüfung mit Ultraschall

Die Lehre vom Schall, die Akustik, beschreibt die Vorgänge der mechanischen Schwingungen und ihre Ausbreitung in festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen. Im leeren Raum gibt es keinen Schall, weil es die Materieteilchen selbst sind, die schwingen, im Gegensatz etwa zu den Lichtschwingungen oder Hochfrequenzschwingungen, bei denen der elektrische und magnetische Zustand des Raumes an sich schwingt. Durch eine Schallwelle in Luft wird ein kleines Luftvolumen aus seiner Ruhelage heraus hin- und herbewegt, während eine Lichtwelle den Bewegungszustand des Raumes nicht beeinflußt.

Die Ultraschallwerkstoffprüfung benutzt mechanische Wellen im Gegensatz etwa zur Röntgentechnik, welche Röntgenstrahlen, also elektromagnetische Wellen, benutzt. Eine mechanische Welle baut sich aus Schwingungen der einzelnen Stoffteilchen auf. Eine Schwingung nennt man die Bewegung, die in Abb. 1.1 eine kleine Masse an einer Feder ausführt, wenn man sie einmal nach unten gezogen und losgelassen hat. Sich selbst überlassen, schwingt sie um die Ruhelage auf und ab. Diese Art der Schwingung ist besonders wichtig, sie ist nämlich sinusförmig, weil der Weg über der Zeit aufgetragen eine Sinuskurve ergibt. Sie entsteht nur dann, wenn die treibende Kraft, hier die Federkraft, mit dem Ausschlag proportional zunimmt. Man nennt sie dann auch elastisch. Auch die einzelnen Masseteilchen, aus denen wir uns einen festen Körper aufgebaut denken können, sind durch elastische Kräfte an ihre Stellen gebunden. Man kann sich den festen Körper sehr vereinfacht als Modell wie in Abb. 1.2 vorstellen, jedoch räumlich. Solange er nicht über die Elastizitätsgrenze hinaus auf Druck oder Zug beansprucht wird, benimmt er sich ähnlich wie dieses Federmodell. Die einzelnen Massepunkte können darin elastische Schwingungen ausführen. Wie entsteht nun aus einer Schwingung eine Welle?

Die Betrachtung einer Welle in einem unbegrenzt ausgedehnten Stoff ist nur theoretisch möglich, denn in der Praxis hört jeder Stoff einmal irgendwo auf, er hat Grenzflächen. Dort wird die Welle in ihrer Ausbreitung gestört. Wenn der Stoff an einen leeren Raum grenzt, kann keine Welle über die Grenzflächen hinausgelangen, weil ja zur Übertragung immer irgendwelche Stoffteilchen vorhanden sein müssen. An einer solchen freien Grenzfläche wird die Welle also in irgendeiner Form zurücklaufen. An einer glatten Grenzfläche spricht man dann von Reflexion, an einer rauhen von Streuung. Dabei muß man die Rauhigkeit, d. h. die Unebenheiten der Grenzfläche, mit dem Maß der Wellenlänge messen. Ist hinter der Grenzfläche ein anderer Stoff, der an dem ersten Stoff haftet, so daß Kräfte übertragen werden können, so kann die Welle darin weiterlaufen, meist zwar in einer mehr oder weniger veränderten Richtung, Stärke und Art.

Die geometrische Optik arbeitet mit Lichtstrahlen, die zeichnerisch als gerade Linien dargestellt werden. Sie erreicht bekanntlich einfach mit dem Gesetz der Brechung und Reflexion an Grenzflächen eine sehr anschauliche Darstellung, z. B. der Wirkung von Spiegeln und Linsen mit gekrümmten Flächen. Wir haben hier dieses anschauliche Verfahren auch schon benutzt, z. B. bei der Reflexion und Brechung in Kap. 2. Man muß nur dabei beachten, daß es auf eine sehr wichtige Eigenschaft sowohl der Licht- wie der Ultraschallwellen keine Rücksicht nimmt, auf die Wellenstruktur.

Ultraschallwellen werden von einer Schallquelle, dem Prüfkopf, erzeugt. Wir interessieren uns jetzt dafür, wie sich die Wellenbewegung von der Quelle aus im Raum verteilt, für das „Schallfeld“.

Aufgabe und Schwierigkeit der Ultraschallprüfung soll mit einem Modellversuch aus der Optik verständlich gemacht werden.

Wir haben bisher ideale Werkstoffe vorausgesetzt, in welchen der Schalldruck keine weitere Schwächung erfährt als durch die Ausbreitung der Welle verursacht. Eine ebene Welle würde also überhaupt keine Abnahme des Schalldrucks auf ihrem Weg zeigen, eine Kugelwelle, ebenso ein Schallstrahl eines Prüfkopfs im Fernfeld würde nur umgekehrt mit dem Abstand von der Quelle abnehmen. Natürliche Werkstoffe haben aber alle einen mehr oder weniger großen Einfluß, der den Schall zusätzlich schwächt. Dieser beruht auf zwei Ursachen, der Streuung und der (echten) Absorption, die beide unter dem Begriff Schwächung (manchmal auch Extinktion) zusammengefaßt werden.

Wir haben bisher Ausbreitung und Verhalten von Ultraschallwellen in verschiedenen Stoffen behandelt, ohne von ihrer Erzeugung mehr vorauszusetzen, als daß sie im Stoff durch die Kontaktfläche eines Schwingers erregt werden, der in der gewünschten Art und Frequenz schwingt. Zum Nachweis haben wir ein Mikrofon vorausgesetzt, das ebenfalls eine Kontaktfläche hat und den Schalldruck einer darauf auftreffenden Welle zu messen erlaubt. Beide Einrichtungen bezeichnet man in der Werkstoffprüfung als Prüfkopf, wenn erforderlich als Sende-bzw. Empfangsprüfkopf. Wir wollen jetzt ihre Wirkungsweise behandeln, die fast ausnahmslos auf dem piezoelektrischen Effekt beruht. Andere Verfahren der Ultraschallerzeugung werden in Kap. 8 behandelt.

Außer dem piezoelektrischen gibt es noch andere physikalische Effekte, die sich zur Erzeugung bzw. zum Empfang von Ultraschall eignen. Obwohl viele von ihnen schwächere Signale als der piezoelektrische Effekt geben, bieten sie doch andererseits eine Reihe von Vorteilen, so daß in Spezialfällen ihre Anwendung in der Werkstoffprüfung durchaus sinnvoll ist.

In der Tabelle 9.1 sind alle Ultraschall-Werkstoffprüfverfahren zusammengestellt. Sie werden mit Hilfe von drei Kriterien voneinander abgegrenzt, nämlich der primären physikalischen Mcßgröße, der Art der Schallstrahlung (entweder kontinuierlich oder Impulse) und der Wirkung einer Materialungänze (oder einer Grenzfläche). Die Verfahren werden anhand der Tabelle nun zunächst kurz vorgestellt und anschließend je nach ihrer praktischen Bedeutung mehr oder weniger ausführlich einzeln beschrieben.

Abbildung 10.1 zeigt das Prinzip des Impulsechoverfahrens: Ein von einer Schallquelle abgestrahlter Ultraschallimpuls, der in der Regel die Form einer gedämpften Schwingung hat, breitet sich im Prüfstück mit Schallgeschwindigkeit aus. Ein Teil davon wird beim Auftreffen auf „Hindernisse“, d. h. Inhomogenitäten des Ausbreitungsmediums reflektiert. Wiederum ein Teil der reflektierten Energie wird nach Verstreichen der Laufzeit bis zum Reflektor und zurück von einem Schallempfänger aufgefangen. Die empfangene Energie wird auf einer Kathodenstrahlröhre als vertikale Auslenkung aufgezeichnet. Die horizontale Ablenkung erfolgt zeitproportional, so daß bei einem planparallelen Prüfobjekt ein Bild entsprechend Abb. 10.2 erzeugt wird. Um ein stehendes Bild zu erhalten, werden die Ultraschallimpulse mit einer bestimmten Wiederholrate ausgesendet und empfangen.

In diesem Kapitel werden alle Verfahren behandelt, welche die Ultraschallauswertung auf eine Größe, die Zeit, reduzieren. Die Information über die Höhe der Echoamplitude, welche die Grundlage für das Kap. 10 bildet, wird dabei als unwesentlich angesehen und höchstens als Störgröße oder in Form von Meßbereichseinschränkungen mitberücksichtigt. Im Laufe der Zeit haben sich auf dieser einfachen Basis eine ganze Reihe von Meßverfahren und darauf fußenden Geräten entwickelt, welche die auf Zeit- und Wegmessungen beruhenden Parameter wie Wanddicken, Restwanddicken, Schallgeschwindigkeiten. Dehnungen mit wachsender Genauigkeit und Einfachheit in der Bedienung anzeigen.

Das Schattenverfahren weist eine Matérialungänze durch ihre Wirkung als abschattendes Hindernis für die Schallausbreitung vom Sende- zum Empfangs­prüfkopf nach. Man spricht auch vom Durchschallungsverfahren, weil die beiden Prüfköpfe häufig auf einander gegenüberliegenden Begrenzungsflächen des Prüf­objekts plaziert sind und somit das Prüfobjekt an dieser Stelle durchschallt wird. Abbildung 12.1 zeigt das Prinzip des Verfahrens am Beispiel der Durchschallung einer Platte an einer fehlerfreien und einer fehlerhaften Stelle, an der die Ungänze einen Teil der Schallwelle abschattet, wodurch u. U. der Schalldruck am Empfangsprüfkopf verringert wird.

Nach der Feststellung eines Materialfehlers und seiner Lage ist die wichtigste Aufgabe der Prüfung, seine Größe zu bestimmen. Sie kann z. B. aus einem Bild ähnlich dem Röntgenbild ermittelt werden. Die akustischen Bildverfahren haben (wie die Röntgenverfahren) das Ziel, ein optisches Bild von Strukturen zu erzeugen, die direkt nicht sichtbar sind. Dazu wird ihre Wechselwirkung mit Schallwellen (z. B. Reflexion und Absorption) ausgenutzt, indem eine von der interessierenden Struktur beeinflußte Schalldruckverteilung mit Hilfe eines der vielen akusto-optischen Wandler in ein optisches Bild übertragen wird.

Dieses Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung soll hier nur am Rande behandelt werden, da es mit der konventionellen Ultraschallprüfung wenig zu tun hat und auch nicht eine ähnlich große Verbreitung in der Praxis gefunden hat. Für einige Anwendungen, wie z. B. die „lose Teile“-Prüfung oder die Druckbehälterprüfung existieren Normen bzw. Normvorschläge.

Die Form und Rauhigkeit der Oberfläche spielt bei der Ultraschallprüfung eine entscheidende Rolle. Auf der einen Seite begrenzt sie die Empfindlichkeit des Verfahrens, so daß u. U. eine vorherige Oberflächenbearbeitung erforderlich wird, auf der anderen Seite ist sie bei Kontaktprüfung für den Verschleiß des Prüfkopfs maßgebend. Sie hat daher auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens großen Einfluß.

Die Umwandlung der Wellenarten bei nicht senkrechter Reflexion an Grenzflächen des Prüflings macht die an sich so einfache Prüftechnik manchmal kompliziert und die Schirmbilder schwerer verständlich. Darum sollen die Grundlagen der Wellenausbreitung aus Kap. 2 hier auf einige häufig vorkommende Fälle angewendet werden.

Aus zwei Gründen werden solche Wellen nur selten benutzt: Nach Abschn. 2.3 entstehen bei winkligem Einfall von Longitudinalwellen in einen festen Körper immer gleichzeitig Transversalwellen, aber unter einem anderen Winkel. Man hat also stets mit Störechos (Formechos) zu rechnen.Bei jeder Reflexion an einer freien Fläche, außer bei senkrechtem Einfall, erleiden sie Energieverluste durch weitere Wellenabspaltung. Man arbeitet also besser nicht mit Zickzack-Longitudinalwellen, etwa in Blechen. Auch die Kantenreflexion (Abschn. 2.8, Abb. 2.25) ist schlecht brauchbar. Abbildung 17.1 beweist, daß eine Nut für Longitudinalwellen kein Vergleichsreflektor sein kann.

Zur Beseitigung von inneren Störungen der Geräte können nur die zugehörigen Serviceanleitungen Auskunft geben. Gegen äußere Störungen gibt es aber einige allgemeingültige Abhilfemaßnahmen.

Der Fehlernachweis ist i. allg. mit Ultraschall einfach und schnell. Schwieriger und insbesondere langwieriger ist die Beurteilung nach Art, Form und Größe. Hier macht sich nämlich der große Nachteil der Ultraschallprüfung bemerkbar, daß sie wegen der vergleichsweise groben Wellenlänge nur eine schlechte seitliche Auflösung hat, also auch mit den aufwendigen Abbildungsverfahren aus Kap 13 kein gutes „Bild“ liefert. Diese sind zudem meist auf kleine, einfach geformte Prüflinge beschränkt. Deshalb muß man in der Praxis oft andere Tricks anwenden, um über den Fehler etwas mehr als nur die Lage aussagen zu können.

Handelt es sich um eine häufig wiederkehrende Prüfaufgabe an gleichen oder wenigstens sehr ähnlichen Prüflingen, so empfiehlt sich die Ausarbeitung einer Prüfvorschrift durch den Leiter der Prüfabteilung und die Durchführung durch einen angelernten Prüfer. Aufgrund von Reklamationen und den Erfahrungen zerstörender Prüfungen wird die mutmaßliche Art, Größe und Lage von Fehlstellen bekannt sein, auf welche die Prüfung allein abzielt, um unnötigen Aufwand zu sparen. Die Vorschrift muß enthalten: Bezeichnung des Stücks evtl. mit Skizze, Abtastbahn und mutmaßlichen Fehlerlage, Hinweis auf mögliche Echos, die nicht mittel, Geräteeinstellung mit Prüfkopf für jeden Prüfgang unter Angabe der Abtastbahn und mutmaßlichen Fehlerlage, Hinweis auf mögliche Echos, die nicht mit Fehlerechos verwechselt werden dürfen. In der Regel kann bei Massenprüfungen dem Prüfer ein Bericht erspart werden, er kann vielmehr in kurzer Zeit selbst über einen Ausschuß des Stücks anhand der Fehlerechos entscheiden. Bei wertvolleren Stücken ist ein Aussortieren fraglicher Stücke zweckmäßig, die dem an Erfahrungen reicheren Leiter der Prüfstelle vorgelegt werden.

Hand in Hand mit der Tatsache, daß man die Methoden der manuellen Ultraschallprüfung immer besser beherrschte, ging die Entwicklung der mechanisierten Prüfung bis zu kontinuierlich arbeitenden Anlagen [1226, 119, 1369] bzw. bis zu sog. Stückprüfautomaten [1190]. Beispiele für den erstgenannten Anlagentyp (s. Abb. 21.1) sind Blech-, Knüppel-, Schienen- und Rohrprüfanlagen, die in Transportrollgänge eingebaut sind. Beispiele für den zweitgenannten Anlagentyp (s. Abb. 21.2) sind Stückprüfautomaten für die Prüfung von z. B. Achsschenkeln, Ventilen, Rollen, Kugeln und anderen Bauteilen.

Wegen der hohen Bearbeitungskosten und wegen der langen Bearbeitungszeit (Liefertermineinhaltung) dieser Stücke wird eine Prüfung schon möglichst frühzeitig im Bearbeitungsgang angestrebt, um mögliche Fehler auszuschalten, die bereits im Rohblock enthalten waren und die Verwendbarkeit des späteren Schmiedestücks in Frage stellen könnten.

Eine geschlossene Behandlung dieser Prüfaufgaben, die einzeln an sich unter andere Abschnitte einzuordnen wären, rechtfertigt sich durch den Umfang und die Bedeutung der Ultraschallprüfung im Eisenbahnwesen.

Bei der Ultraschallprüfung von Blechen und Bändern unterscheidet man grundsätzlich die Prüfung auf Herstellungsfehler und auf solche, die als Folge verschiedener Beanspruchungen im Bauteil entstanden sind. Letztere seien kurz vorweg behandelt.

Als Herstellungsfehler in einem Halbzeug unterscheiden wir Innen- und Oberflächenfehler. Innenfehler rühren entweder von Blockfehlern her, die beim Walzen oder Ziehen langgestreckt werden und als Lunker und Einschlüsse vorzugsweise im Kern auftreten; oder es sind Walz- und Ziehfehler, wie Hohllauf (piping), besonders bei Nichteisenmetallen, und Kernrisse, die im Schnitt flach oder sternförmig aussehen. Oberflächenfehler, z. B. an Stangen, sind meist Ziehfehler in Form von radialen Anrissen oder Schalen, die unter flachem Winkel von der Oberfläche aus eindringen. Weil alle Fehler in Längsrichtung ausgedehnt sind, ist die Einstrahlungsrichtung (Abb. 25.1) vom Mantel aus die gegebene, entweder senkrecht oder schräg zur Oberfläche in der Querschnittsebene. Dazu kommen Oberflächenwellen in Umfangsrichtung.

Auch hier handelt es sich wieder in der Hauptsache um Herstellungsfehler. Dauerbrüche und Korrosionsspannungsrisse erfordern die gleiche Prüftechnik wie Herstellungsfehler, weil sie meist die gleiche Lage haben. Andere Betriebsprüfungen, wie Korrosions- und Wandstärkebestimmungen, werden in Abschn. 33.1 behandelt.

Bei der Gußprüfung handelt es sich vorzugsweise um eine Prüfung auf Herstellungsfehler und in seltenen Fällen um eine Revisionsprüfung. Erstere ist in Prüftechnik und Bewertung abweichend von der Prüfung verformten Materials, was in der Praxis gelegentlich übersehen wird und zu Schwierigkeiten führt. Bei der Revisionsprüfung dagegen richtet sich die Prüftechnik wie bei geschmiedetem Material nach der Beanspruchung und der daraus vermuteten Fehlerlage. Sie soll hier deshalb nicht weiter betrachtet werden.

Die hauptsächlich vorkommenden, typischen Fehler in Stumpfschweißnähten sind: Schlackeneinschlüsse, Bindefehler als Flanken- oder Lagenbindefehler, nichtdurchgeschweißte Wurzel, Rand- und Einbrandkerben, Risse längs oder quer zur Naht, und Poren.

Die einst wichtige Prüfaufgabe hat heute nur noch historisches Interesse, kann also ganz kurz behandelt werden. Im Niet selbst kommen Querrisse zwischen Kopf und Schaft vor, die von der jeweils anderen Seite aus wie bei Schrauben (Abschn. 22.4) gefunden werden können. Für gute Ankopplung muß entweder durch Bearbeitung des Kopfs oder einen Spezialprüfkopf gesorgt werden.

Die an Kernkraftwerke gestellten, besonders hohen Sicherheitsanforderungen kommen u. a. in sehr umfangreichen und sorgfältigen Ultraschallprüfungen an allen Komponenten des Primärkreises (Reaktordruckbehälter (RDB) und Kühlkreislauf) zum Ausdruck. Vor der ersten Inbetriebnahme muß die sog. Basisprüfung durchgeführt werden. Wiederholungsprüfungen müssen in der Bundesrepublik Deutschland z. Z. alle vier Jahre erfolgen, am RDB vollständig, an den übrigen Primärkreiskomponenten zu 50%, also Primärkreiskomponenten außer RDB alle acht Jahre. In anderen Ländern sind die Anforderungen zum Teil geringer (s. Kap. 34). Der geforderte Prüfumfang (zu prüfende Komponenten bzw. Bereiche von Komponenten (Prüfabschnitte), Prüffristen, Prüftechniken, Anforderungen an die Prüfausrüstung) ist in Leitlinien der Reaktorsicherheitskommission (RSK) [1745], in KTA-Regeln (Kerntechnischer Ausschuß) [1732] und in DIN-Normen [1719] niedergelegt. Danach ist grundsätzlich das Ultraschallprüfverfahren anzuwenden. Im Rahmen der sog. Fertigungsprüfung werden alle Komponenten des Primärkreises schon bei der Produktion vom Hersteller, vom Abnehmer (Hersteller des Kernkraftwerks) und vom Technischen Überwachungsverein (TÜV) unabhängig voneinander geprüft. Diese sog. Dreifachprüfung ist bisher in der Bundesrepublik Deutschland bei allen manuell durchgeführten Teilen der Fertigungsprüfung üblich. Die damit in der Praxis gewonnenen Erfahrungen zeigen aber, daß der hohe Aufwand der Dreifachprüfung sicherheitstechnisch nicht gerechtfertigt ist [1540]. Hinzu kommt, daß auch die Fertigungsprüfungen zunehmend mechanisiert durchgeführt werden. In [1050] und [1469] werden dafür entwickelte Anlagen beschrieben, s. auch [1277].

Die Tabelle in der 4. Aufl. dieses Buches (S. 531) mit den Schallgeschwindigkeiten verschiedener legierter Stähle in verschiedenen Bearbeitungszuständen zeigt Unterschiede in beiden Schallgeschwindigkeiten unter 5%. Was die Legierungselemente betrifft, ist keine Systematik zu erkennen, jedoch verändern Bearbeitungen wie Glühen, Härten, Vergüten und Kaltverformen die Schallgeschwindigkeiten mehr als Legierungen ausmachen. In der Regel nehmen beide Geschwindigkeiten dadurch ab, ebenso wie meist die Schallschwächung. Die Abweichungen von dem Wert c₁ = 5,93 km/s können für viele praktische Zwecke vernachlässigt werden, jedoch nicht bei genauen Wanddickenmessungen. Bei der Transversalgeschwindigkeit macht aber eine Abweichung von 1% schon eine Änderung des Brechungswinkels von 1,5° bei 70° aus. In kritischen Fällen, wie beim Grenzwinkel für Oberflächen- oder Kriechwellen sollte also die Abweichung berücksichtigt werden. Auch die Abnahme der Schallgeschwindigkeiten mit der Temperatur spielt dann eine Rolle [437, 1162, 450].

Die Porzellanrohmasse, die sog. Hubeln, sind, solange sie mit Wasser gesättigt sind, für Frequenzen von 0,5 bis 2 MHz genügend durchlässig, um in Dicken von einigen 100 mm auf größere Hohlräume und ungenügend verbundene Grenzflächen geprüft werden zu können. Praktisch wird in diesem Zustand jedoch nicht geprüft. Getrocknet sind sie undurchlässig. Dicht gebranntes Porzellan erreicht, was Durchlässigkeit und Schallgeschwindigkeit angeht, die Werte von Stahl. Man kann mit Longitudinalwellen von 5 MHz und mehr Längen von über 1 m durchschallen Ähnlich verhalten sich andere dichte Keramiken, wie Steatit, dessen Geschwindigkeit noch über der von Stahl liegt (s. u.). Auch Gläser haben sehr geringe Schwächung. Praktisch werden jedoch bisher nur Isolatoren aus Porzellan und Steatit bei der Herstellung geprüft.

Hier soll die Messung von Werkstückeigenschaften und Werkstoffkonstanten behandelt werden, soweit sie im Rahmen der Werkstoffprüfung interessiert und sich mit handelsüblichen Prüfgeräten durchführen läßt. Zahlreiche wissenschaftliche Aufgaben und Meßmethoden müssen daher unberücksichtigt bleiben oder können nur kurz erwähnt werden. Es sei auf das Lehrbuch von Tietz hingewiesen [41].

Die zunehmende Bedeutung der Ultraschallprüfung hat in allen Ländern die Gesellschaften für zerstörungsfreie Prüfverfahren, Hersteller- und Verbraucherverbände sowie Normenverbände zur Herausgabe von Normen veranlaßt, die von Empfehlungen bis zu Verordnungen mit Gesetzeskraft reichen. In jedem Lande bearbeiten staatliche N ormenkommissionen die von Verbänden und Gesellschaften vorgelegten Vorschläge. In der Bundesrepublik Deutschland ist das der DNA (Deutscher Normenausschuß). Er gibt die DIN-Normen heraus. Überstaatlich arbeitet die ISO (International Organization for Standardization) an einer Harmonisierung der staatlichen Normen. Außerdem arbeiten auch überstaatliche Fachverbände daran, die Normung vorzubereiten, z. B. auf dem Gebiet der Schweißungen das IIW (International Institute of Welding).