Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung - Ultraschallprüfung

Frontmatter

1. Physikalische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Welle ist die räumliche Ausbreitung einer Schwingung. Voraussetzung für die räumliche Ausbreitung ist eine elastische Kopplung der schwingenden Massenteilchen. Ein Beispiel dafür, wie aus einer Schwingung eine Welle entsteht, ist in Abb. 1.1 dargestellt. Dabei werden eine Reihe von gleichen nebeneinander aufgehängten Federpendeln abgebildet.

Karlheinz Schiebold

2. Ultraschallprüfsysteme

Zusammenfassung

Zum Ultraschallprüfsystem gehören das Ultraschallgerät, der oder die Prüfköpfe und die Prüfkabel. Bei den Ultraschallgeräten werden die analoge und digitale Signalverarbeitung unterschieden, je nachdem ob die zeitliche Folge der Bilder auf dem Bildschirm dem Zeitverhalten bei ihrer Entstehung am Prüfkopf entspricht oder nicht. Ein Ultraschallgerät muss nach DIN EN 583-1 [2.6] die Anforderungen der DIN EN 12668-1 [2.7] erfüllen.

Karlheinz Schiebold

3. Justierung

Zusammenfassung

Der Bildschirm der US-Geräte ist horizontal grundsätzlich in 10 große Skalenteile unterteilt.

Karlheinz Schiebold

4. Justier- und Vergleichsreflektoren

Zusammenfassung

Jede Ultraschallprüfung beginnt mit einem Justiervorgang. Das Ultraschallgerät muss zur Bewertung von Ungänzen sowohl hinsichtlich deren Tiefenlage, der Abstandskoordinaten, als auch in Bezug auf die Größe exakt eingestellt werden. Abb. 4.1 zeigt eine Übersicht über die zur Justierung erforderlichen Begriffe.

Karlheinz Schiebold

5. Anzeigenbewertung I (Vergleichskörpermethode)

Zusammenfassung

Das Ziel der Ultraschallprüfung ist das Auffinden und Bewerten von Ungänzen. Um eine Aussage über die Größe der Ungänzen zu erhalten, wird die Echohöhe ihrer Anzeige ausgewertet. Aber auch die optimierte, gezüchtete, maximale Echohöhe gibt unmittelbar noch keine direkte Beziehung zur Größe und Form der wahren Ungänze im Werkstück. Eine Übersicht über die Einflussfaktoren für die definierte Fehlerklassifizierung zeigt Tabelle 5.1. Wichtig bei der Abschätzung der Faktoren ist, dass sie nicht getrennt voneinander betrachtet werden können, da sie sich gegenseitig beeinflussen. Deshalb sind die Verhältnisse sehr kompliziert, insbesondere im Hinblick auf die unterschiedliche Geräteauslegung und die Uneinheitlichkeit der Prüfobjekte. Die Verbindung zwischen Prüfsystem und Werkstück wird über die Ankopplungsbedingungen hergestellt.

Karlheinz Schiebold

6. Anzeigenbewertung II (AVG-Methode)

Zusammenfassung

Das allgemeine AVG-Diagramm (Abb. 6.1) ist anwendbar für alle Senkrecht- und Winkelprüfköpfe. Es gilt nicht für SE-Prüfköpfe, Fokusprüfköpfe und Breitbandprüfköpfe (Stoßwellenprüfköpfe oder hochbedämpfte Prüfköpfe).

SE-Prüfköpfe weisen einen vom Dachwinkel abhängigen Empfindlichkeitsverlauf auf, d.h. die Abstands-, Verstärkungs- und Größenabhängigkeit kann nur empirisch für jeden Prüfkopftyp aufgenommen werden. Ähnliches gilt für Fokusprüfköpfe, obwohl diese Prüfköpfe im Grunde genommen nicht für die AVG-Methode, sondern für die Abtastmethoden entwickelt worden sind. Breitbandige oder hochbedämpfte Prüfköpfe sind deshalb nicht AVG-tauglich, weil sie ein breites Frequenzspektrum mit nahezu gleicher Empfindlichkeit haben und folglich weder eine definierte Arbeitsfrequenz noch eine exakte Nahfeldlänge für das AVG-Diagramm zur Verfügung stehen.

Karlheinz Schiebold

7. Ankopplungstechnik

Zusammenfassung

Unter Ankopplung versteht man gewöhnlich die Übertragung des Ultraschalls vom Prüfkopf ins Werkstück. Zwischen Prüfkopf und Prüfgegenstand befindet sich bei trockenen Oberflächen ein Luft- oder Gasspalt, dessen Schichtdicke von der Rauigkeit der Oberflächen und dem aufgewendeten Anpressdruck abhängt und der von den Ultraschallwellen überwunden werden muss, wenn eine Ankopplung erreicht werden soll.

Karlheinz Schiebold

8. Wanddickenmessung

Zusammenfassung

Die mechanische Dickenmessung, z.B. mit einem Messschieber, erfordert eine beidseitige Zugänglichkeit des auszumessenden Bauteils. Dort, wo das nicht möglich ist, z.B. bei geschlossenen Rohrleitungssystemen, wird eine Dickenmessung mit Ultraschall vorgenommen. Die Ultraschall-Wanddickenmessung kann mit herkömmlichen analogen Geräten oder mit digital anzeigenden relativ kleinen Wanddickenmessgeräten erfolgen. Vielfach werden auch analoge Prüfgeräte mit digital eingeblendeten Messwerten eingesetzt. Ihr Vorteil besteht darin, dass der Prüfer anhand der Rückwandechofolge des A-Bildes erkennen kann, ob Ankopplungs- oder Reflexionsverluste vorliegen oder ob evtl. gar eine stark korrodierte Rückwand oder Gegenfläche eine falsche Wanddicke anzeigen lässt.

Karlheinz Schiebold

9. Prüfung von Grobblechen, Stäben, gewalztem Halbzeug

Zusammenfassung

Im Vergleich zum A-Bild eines ungänzenfreien Bleches lassen sich für die Ungänzenarten charakteristische Anzeigen unterscheiden. Die bekannteste Ungänzenart in Grobblechen ist wohl die Dopplung, deren Ursprung in der Lunkerbildung der Walzbrammen zu suchen ist. Es sind Hohlräume, die beim Erstarren der Schmelze entstehen und aufgrund von Oxydation ihrer Oberflächen beim nachfolgenden Auswalzen nicht mehr verschweißen können. Dopplungen sind zumeist großflächig im Vergleich zum Schallbündeldurchmesser und damit mit Hilfe der Abtastmethoden zu beurteilen. Sie doppeln sozusagen das Blech, d.h. sie sind in der halben Blechdicke anzutreffen.

Karlheinz Schiebold

10. Prüfung von Rohren

Zusammenfassung

Man unterscheidet beim Prüfen von Rohren zwischen nahtlosen und geschweißten Rohren. Nahtlose Rohre sind aus gewalztem, gezogenem oder gegossenem Vormaterial hergestellt.

Karlheinz Schiebold

11. Prüfung von Schmiedestücken

Zusammenfassung

Die Herstellung von Schmiedestücken erfolgt in einer Erzeugniskette von der Erschmelzung, dem Abguss, der Verformung, der Wärmebehandlung und der mechanischen Bearbeitung. Aus jeder dieser Prozessstufen können Fehler resultieren, die der Ultraschallprüfer indirekt als Anzeigen bewerten muss, ohne vergleichsweise etwas Ähnliches wie einen Röntgenfilm zugrunde legen zu können. Deshalb sind Kenntnisse des Herstellungsprozesses unabdingbar für die Entscheidungsfindung fehlerhafter Schmiedestücke, obwohl oft metallografische Untersuchungen gefragt sind, um die Fehlerursachen eindeutig zu klären.

Karlheinz Schiebold

12. Prüfung von Gussstücken

Zusammenfassung

Im Gegensatz zu Schmiedestücken wird die Prüfbarkeit von Gussstücken durch folgende Parameter wesentlich beeinflusst:

• Werkstoff,
• Gefügezustand,
• Bauteilgeometrie,
• Fehlerart.

Karlheinz Schiebold

13. Prüfung von Schweißverbindungen

Zusammenfassung

Flüssiges Schweißgut wird in eine Fuge zwischen den Grundwerkstoffen gebracht und unter Anschmelzen des Grundwerkstoffes entsteht eine Verbindung Grundwerkstoff-Schweißgut-Grundwerkstoff. Der Aufbau einer solchen Naht ist fertigungsabhängig: Wird das gesamte Schweißgut auf einmal in die Fuge gefüllt, so spricht man von Einlagenschweißung. Das Gefüge ist dann meist sehr stengelartig wie ein Gussgefüge. Diese Stengelstruktur läßt sich im Falle eines ferritischen Stahls durch Wärmebehandlung beseitigen. Bei mehrlagigen Schweißungen wird die Stengelstruktur vermieden, da jede überliegende Lage die untere Lage quasi wärmebehandelt (Abb. 13.1) [13.1].

Karlheinz Schiebold

14. Besondere Prüftechniken I (Spezielle Bauteile)

Zusammenfassung

Durch gekrümmte Flächen am Prüfgegenstand wird das Schallfeld eines Prüfkopfes verzerrt und die Kontaktfläche des Prüfkopfes kleiner (siehe Abb. 14.1)

Diese Verzerrung bewirkt eine Veränderung des Divergenzwinkels und der Nahfeldlänge durch Fokussierung bzw. Aufweitung des Schallfeldes, sie wirkt wie eine Zylinderlinse [14.6]. Durch die Krümmung verkleinert sich die Ankopplungsfläche. Eine sichere Prüfkopfführung und Anzeigenbewertung ist nicht mehr gewährleistet. Der Prüfkopf wackelt bei konvexer Auflage und liegt bei konkaven Flächen hohl auf. Damit ist in jedem Fall ein Empfindlichkeitsverlust verbunden, weil flüssige Ankoppelmittel kleinere Schallwellenwiderstände aufzeigen als die meisten Prüfstücke [14.5].

Karlheinz Schiebold

15. Besondere Prüftechniken II (Spezielle Techniken)

Zusammenfassung

Eine ausführliche Beschreibung der manuellen Tandemprüfung enthält die sicherheitstechnische Regel des Kerntechnischen Ausschusses KTA 3201.3 [15.1]. Für das Auffinden von senkrecht zur Prüffläche angeordneten Ungänzen in dickwandigen planparallelen oder konzentrisch gekrümmten Bauteilen (>100 mm) ist der Einsatz von zwei im Tandem geführten Winkelprüfköpfen besonders geeignet, weil die Prüfempfindlichkeit im Kreuzungsbereich der Schallfelder der beiden Prüfköpfe die der Einkopftechnik übertrifft. Die Prüfköpfe werden dabei durch eine mechanische Halterung im stufenlos verstellbaren Abstand voneinander geführt und mittels einer kardanischen Aufhängung an die Prüfstückoberfläche angepasst. Abb. 15.1 stellt das Prinzip der Tandemtechnik dar.

Karlheinz Schiebold

16. Besondere Prüftechniken III (Spezielle Werkstoffe)

Zusammenfassung

Das Hauptproblem bei austenitischen Stählen liegt darin begründet, dass ihr Gefüge grobkörnig und nicht isotrop ist und damit verbunden ihre physikalischen Eigenschaften. Es fehlt im Vergleich zu ferritischen oder perlitischen Stählen die Phasenumwandlung γ⇒α, die zusammen mit dem erforderlichen Luftsturz wiederum den feinkörnigen Gefügezustand dieser Stähle ausmacht.

Karlheinz Schiebold

17. Normen, Regelwerke, Prüfanweisungen, Verfahrensbeschreibungen, Protokollierung, Dokumentation

Zusammenfassung

Während Normen zumeist von nationalen oder internationalen Normenausschüssen erarbeitet werden und deshalb in den beteiligten Ländern verbindlichen Charakter besitzen, sind Regelwerke, wie z.B. HP 5/3 [16.12] und der ASME-Code [16.12] oder KTA 3201 [16.12] Vorschriften spezieller Anwendungen (Druckbehälter) oder Anwender (Kernkraftwerke). Grundsätzlich sind verfahrens- und objektbezogene Regelwerke zu unterscheiden. Verfahrensbezogene Regelwerke (Tabelle 17.1) beziehen sich auf die im Allgemeinen zu verwendende Prüftechnik eines bestimmten ZfP-Verfahrens und enthalten Angaben

• zum Anwendungsbereich,
• zur Definition der Verfahrensvarianten,
• zur Angabe der Prüfempfindlichkeit,
• zur Durchführung von zerstörungsfreien Prüfungen,
• zur Prüfmittelkontrolle und
• zur Dokumentation.

Karlheinz Schiebold

Backmatter